Toàn bộ vật chất, bức xạ và các tương tác trong vũ trụ của chúng ta đều được tạo thành và chi phối bởi các hạt cơ bản. Ngày nay, vật lý hạt là một trong những mũi nhọn hàng đầu của khoa học, và các nhà nghiên cứu đã khám phá ra khá nhiều loại hạt với những tính chất khác nhau, đóng những vai trò khác nhau. Trong bài viết ngắn này, chúng ta sẽ trao đổi về sự khác biệt giữa hai nhóm hạt cơ bản tạo thành vật chất: quark và lepton.
Trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt, bạn có thể thấy rằng các hạt cơ bản được chia thành hai nhóm chính là fermion và boson. Trong đó, các fermion đóng vai trò tạo thành mọi loại vật chất mà bạn biết tới hàng ngày, còn boson là các hạt truyền tương tác. Tuy nhiên, fermion là một nhóm hạt phức tạp chứ không hề đơn giản. Cụ thể, nó được chia làm hai nhóm nhỏ hơn gọi là quark và lepton.
Đọc thêm bài: Thế giới hạt cơ bản.
Sẽ rất dễ dàng khi mô tả một cách dễ hiểu là quark gồm 6 loại hạt mà trong đó 2 loại phổ biến nhất là up và down tham gia tạo thành các proton (2 up + 1 down) và neutron (1 up + 2 down) - tức là hai loại hạt cốt yếu tạo thành hạt nhân của các nguyên tử; còn lepton là những hạt mà về cơ bản là nhẹ hơn và không tham gia trực tiếp vào hạt nhân của nguyên tử (mà phổ biến nhất là electron). Tuy nhiên, như vậy chưa phản ánh được đúng bản chất của hai loại hạt này và những khác biệt thực sự giữa chúng.
Việc phân biệt hai nhóm hạt này là nội dung của một câu hỏi tôi nhận được sau bài giảng về các lực và các hạt cơ bản trong tự nhiên mà tôi thực hiện gần đây. Dưới đây chúng ta sẽ giải đáp một cách ngắn gọn về sự tương đồng cũng như khác biệt giữa hai nhóm hạt này.
Điểm giống nhau
Quark và lepton đều là những hạt thuộc nhóm fermion, tức là những hạt đóng vai trò cốt yếu tạo thành vật chất trong vũ trụ. Mọi vật liệu mà bạn có thể nhìn thấy hoặc chạm tới hàng ngày đều được tạo thành từ những hạt này. Những hạt cơ bản nhất tạo thành các nguyên tử của bất cứ nguyên tố nào đều bao gồm cả hai loại fermion này - cụ thể là hạt nhân được tạo thành bởi các quark, còn lớp vỏ nguyên tử là quỹ đạo của các electron (loại lepton phổ biến nhất). Trong khi đó, nhóm hạt còn lại là boson không trực tiếp tạo thành vật chất mà có vai trò truyền tương tác - chẳng hạn, photon là loại hạt truyền tương tác điện từ.
Cả quark và lepton đều có spin bán nguyên (1/2) trong khi boson có spin nguyên (0 hoặc 1). (Một cách tối giản thì spin là con số lượng tử chỉ tính đối xứng quay của một hạt.)
Điểm khác nhau
Điện tích
Các lepton có điện tích nguyên. Ví dụ điển hình nhất là electron, nó có điện tích là -1. Trong khi đó, quark có điện tích nhỏ hơn 1. Đúng như vậy, cái mà bạn vẫn được biết tới là điện tích cơ bản thực tế không phải là điện tích nhỏ nhất và không chia ra được nữa. Mỗi quark up mang điện tích là +2/3, còn down thì có điện tích -1/3. Hãy thử cộng chúng với nhau, bạn sẽ hiểu tại sao proton có điện tích là +1 còn neutron lại là hạt không mang điện.
Chỉ lepton có thể tồn tại tự do
Các lepton có thể tồn tại tự do, còn quark thì không. Quark chỉ tồn tại bên trong các hadron (những hạt chứa từ 2 quark trở lên, mà proton và neutron là 2 trong số đó) nhờ liên kết bởi tương tác mạnh - loại tương tác được truyền bởi các hạt gluon. 4 loại quark hiếm gặp hơn gồm charm, strange, top và bottom là những quark không bền và chúng sẽ phân rã để sớm hay muộn cũng sẽ trở thành up hoặc down. Còn up và down thì như vừa nhắc tới, chúng không thể tồn tại độc lập mà chỉ có trong các hadron.
Tới đây, bạn cũng có thể để ý thấy rằng như vậy thì giá trị 1 đơn vị điện tích vẫn có thể coi là điện tích cơ bản, vì lý do đơn giản là điện tích phân số không thể tồn tại độc lập trong tự nhiên.
Lepton không tham gia tương tác mạnh
Có tất cả 4 tương tác cơ bản trong vũ trụ gồm: hấp dẫn, điện từ, mạnh, và yếu. Các quark tham gia cả 4 tương tác này. Trong khi đó, các lepton chỉ tham gia tương tác hấp dẫn, điện từ và yếu. Chúng không tham gia tương tác mạnh. Tương tác mạnh là loại lực mạnh nhất nhưng có cự ly ngắn nhất. Nó chỉ có tác dụng liên kết các quark trong phạm vi bán kính của các hadron (và vì thế cũng đồng thời là tương tác gắn các proton và neutron vào với nhau trong hạt nhân nguyên tử).
Đọc thêm bài: Các lực cơ bản trong vũ trụ.
Để tham khảo thêm về các hạt và tương tác cơ bản, độc giả có thể đọc các bài khác của tôi như dẫn link trực tiếp phía trên, đồng thời đọc thêm bài "Big Bang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ".
Tôi cũng có dịp trao đổi chi tiết hơn về những vấn đề này trong các khóa học của VACA và trong một cuốn sách của tôi đã xuất bản là "Vũ trụ: Xa hơn Mây Oort".
Tháng 7 năm 2021
Đặng Vũ Tuấn Sơn
