Nếu bạn lấy bất kỳ vật dụng nào trong nhà của bạn, chẳng hạn như một tách cà phê và chia nó ra làm đôi, rồi lại chia đôi tiếp tục và cứ thế…bạn sẽ kết thúc ở đâu? Bạn có thể tìm ra thứ nhỏ nhất trong vũ trụ không? Hay bạn sẽ tìm thấy một tập hợp các khối liên kết mà mọi thứ được tạo ra?
Các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng, vật chất được tạo ra từ các hạt cơ bản, những thứ siêu nhỏ trong vũ trụ. Các hạt này tương tác với nhau theo một thuyết được gọi là “Mô hình chuẩn”.
Mô hình chuẩn là một sự “đóng gói” đáng chú ý của thế giới lượng tử kỳ lạ với các hạt nhỏ vô hạn. Nó cũng bao gồm các lực lượng chi phối cách các hạt di chuyển, tương tác và liên kết với nhau để tạo nên sự đa dạng trên hành tinh của chúng ta.
Nhưng nó hoạt động như thế nào? Phóng to các mảnh vỡ của tách cà phê, chúng ta thấy các phân tử được làm từ các nguyên tử liên kết với nhau. Phân tử là đơn vị nhỏ nhất của bất kỳ hợp chất hóa học nào. Nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất của bất kỳ phần tử nào trong bảng tuần hoàn.
Nhưng nguyên tử không phải là đơn vị vật chất nhỏ nhất trong vũ trụ. Các thí nghiệm đã phát hiện ra rằng, mỗi nguyên tử có chứa một hạt nhân nhỏ hơn và được bao quanh bởi đám mây điện tích âm (các electron).
Các electron theo như chúng ta biết là một trong những khối xây dựng cơ bản không thể tách rời của vũ trụ. Nó là hạt mô hình chuẩn đầu tiên được phát hiện. Các electron liên kết với hạt nhân của nguyên tử bằng điện từ. Chúng thu hút lẫn nhau bằng cách trao đổi các hạt được gọi là photon (lượng tử ánh sáng mang lực điện từ), một trong những lực cơ bản của Mô hình chuẩn.
Hạt nhân có nhiều bí ẩn hơn để tiết lộ, vì nó chứa proton và neutron. Mặc dù được cho là các hạt cơ bản, nhưng vào năm 1968 các nhà vật lý đã phát hiện ra một thứ còn nhỏ hơn, đó là các proton và neutron thực sự được tạo ra từ các quark, không thể tách rời.
Một proton chứa hai quark “lên” và một quark “xuống”. Một neutron chứa hai quark “xuống” và một quark “lên”. Hạt nhân được giữ lại bởi lực hạt nhân mạnh, một lực cơ bản khác của Mô hình chuẩn.
Cũng như photon mang lực điện từ, các hạt gọi là gluon mang lực hạt nhân mạnh. Các electron, cùng với các quark lên và xuống, dường như là tất cả những gì chúng ta cần để xây dựng ra nguyên tử, đơn vị cơ bản của vật chất tạo nên thế giới xung quanh chúng ta.
Tuy nhiên, các thí nghiệm năng lượng cao tiết lộ rằng thực tế có 6 quark – xuống và lên, lạ và quyến rũ, đáy và đỉnh – và chúng có nhiều khối lượng.
Điều tương tự cũng được tìm thấy cho các electron, trong đó có anh chị em nặng hơn được gọi là muon và tau. Tại sao có 3 phiên bản khác nhau của từng hạt này? Đây vẫn là một bí ẩn. Những hạt nặng này chỉ được tạo ra trong những khoảnh khắc rất ngắn, trong va chạm năng lượng cao và không được nhìn thấy trong cuộc sống hàng ngày.
Điều này là do chúng phân rã rất nhanh chóng thành các hạt nhẹ hơn. Sự phân rã này liên quan đến sự trao đổi các hạt mang lực được gọi là W và Z, nhưng không giống như photon – chúng có khối lượng.
Chúng mang lực hạt nhân yếu, lực cuối cùng của Mô hình chuẩn. Lực này cho phép các proton và neutron biến đổi qua lại, một phần quan trọng của các tương tác nhiệt hạch mặt trời. Để quan sát trực tiếp W và Z, chúng ta cần các xung đột năng lượng cao được cung cấp bởi các máy gia tốc hạt.
Có một loại hạt Mô hình chuẩn khác được gọi là neutrino. Chúng chỉ tương tác với các hạt khác thông qua lực hạt nhân yếu. Hàng nghìn tỷ neutrino được tạo ra bởi mặt trời bay qua chúng ta mỗi giây.
Các phép đo tương tác yếu cho thấy có nhiều loại neutrino khác nhau liên kết với electron, muon và tau. Tất cả các hạt này cũng có các phiên bản phản vật chất, có giá trị ngược lại nếu không giống nhau. Các hạt vật chất và phản vật chất được tạo ra theo cặp trong lúc va chạm năng lượng cao, và chúng tiêu diệt lẫn nhau khi chúng gặp nhau.
Hạt cuối cùng của Mô hình chuẩn là boson Higgs, một gợn lượng tử trong trường năng lượng nền của vũ trụ. Thí nghiệm ATLAS trên Máy gia tốc hạt lớn (LHC) đang nghiên cứu Mô hình chuẩn một cách chuyên sâu.
Bằng cách đo chính xác các hạt và lực hình thành nên vũ trụ, các nhà vật lý ATLAS có thể tìm kiếm câu trả lời cho những bí ẩn không thể giải thích bằng Mô hình chuẩn.
Ví dụ, mối liên hệ thực sự giữa các hạt mang lực và các hạt vật chất là gì? Làm thế nào chúng ta có thể mô tả “vật chất tối”, thứ chiếm phần lớn khối lượng trong vũ trụ nhưng vẫn chưa được hiểu rõ?
Mặc dù Mô hình chuẩn cung cấp một giải thích tuyệt vời cho thế giới xung quanh chúng ta, nhưng vẫn còn nhiều bí ẩn của vũ trụ để chúng ta khám phá.
Nguồn: Ted-ed
