Quark là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và vai trò trong Mô hình Chuẩn

Quark là hạt cơ bản thuộc lớp fermion, có spin ½ và không thể tồn tại tự do do hiện tượng confinement. Quark kết hợp với nhau tạo thành hadron – bao gồm baryon (ba quark) và meson (một quark và một phản quark) – là các hạt cấu trúc nên nhân nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử khác.

Trong Mô hình Chuẩn (Standard Model) của vật lý hạt cơ bản, quark cùng với lepton và boson gauge cấu thành bộ ba thành phần cơ bản. Quark tham gia tương tác mạnh (strong interaction) thông qua gluon, đồng thời chịu tác động của tương tác điện yếu và tương tác hấp dẫn mặc dù yếu hơn đáng kể.

• Thành phần cơ bản của proton, neutron và hadron nói chung.
• Tham gia tương tác mạnh, giữ ổn định cấu trúc hạt nhân.
• Là đối tượng nghiên cứu chính của Quantum Chromodynamics (QCD).

Phân loại theo hương vị (Flavors)

Quark có sáu “hương vị” (flavors) khác nhau, được đặt tên là up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) và top (t). Mỗi hương vị có khối lượng, điện tích và tính chất tương tác riêng, quyết định đặc tính vật lý của hadron chứa chúng.

Up và down là hai hương vị nhẹ nhất, chiếm ưu thế trong proton (uud) và neutron (udd). Strange và charm có khối lượng trung bình, thường xuất hiện trong meson như kaon (u\bar{s}, d\bar{s}) và D meson (c\bar{d}, c\bar{u}). Bottom và top là hương vị nặng nhất, với top có khối lượng lớn nhất trong tất cả các fermion cơ bản.

Tham khảo chi tiết: Particle Data Group – Quark Masses & Properties

Tính chất cơ bản: điện tích, spin, khối lượng và màu sắc

Mỗi quark mang điện tích phân số ±2/3e hoặc ∓1/3e, trong đó e là điện tích proton. Spin của quark bằng ½ ħ, tuân theo quy tắc Fermi–Dirac. Khối lượng quark biến thiên rất lớn, từ vài MeV (u, d) đến hàng trăm GeV (t), thể hiện khác biệt lớn giữa các thế hệ fermion.

Quark còn mang “màu” (color) của tương tác mạnh – không liên quan đến màu sắc vật lý – gồm ba loại: red, green, blue. Các hadron phải trung hòa màu sắc: baryon kết hợp đủ ba màu, meson kết hợp một màu và một phản màu. Tính chất màu sắc mô tả bởi nhóm gauge SU(3) của QCD.

• Spin: ½ ħ
• Điện tích: ±2/3e hoặc ∓1/3e
• Khối lượng: từ ~2 MeV/c² (u) đến ~173 GeV/c² (t)
• Màu sắc: red, green, blue, phải trung hòa trong hadron

Tính chất này giải thích tại sao proton và neutron có điện tích nguyên, mặc dù thành phần quark mang điện tích phân số.

Nguyên lý confinement và asymptotic freedom

Confinement (hạn chế) là nguyên lý cho biết quark không thể tách rời độc lập, luôn giam giữ trong hadron do lực mạnh tăng khi khoảng cách giữa quark tăng. Khi cố gắng kéo hai quark ra xa, năng lượng liên kết tăng lên và tạo ra cặp quark–phản quark mới, ngăn cản việc hình thành quark tự do.

Asymptotic freedom (tự do ở cự ly gần) ngược lại, mô tả hiện tượng tại khoảng cách rất nhỏ (<10⁻¹⁵ m), độ lớn tương tác mạnh giảm, quark gần như hoạt động tự do. Điều này cho phép sử dụng phương pháp perturbative trong tính toán QCD cho các năng lượng cao.

• Confinement: không bao giờ quan sát quark tự do, luôn ở trong hadron.
• Asymptotic freedom: tại cự ly rất nhỏ, tương tác mạnh suy yếu, quark gần tự do.

Hiện tượng này lần đầu được lý thuyết hóa bởi Gross, Wilczek và Politzer, đưa đến giải Nobel Vật lý 2004. Thông tin chi tiết: CERN – Quark Confinement & Asymptotic Freedom

Lý thuyết QCD và trao đổi gluon

Quantum Chromodynamics (QCD) là lý thuyết chuẩn mô tả tương tác mạnh giữa quark và gluon dựa trên nhóm gauge SU(3). Lagrangian của QCD bao gồm phần tự do của quark kết hợp với phần tương tác qua trường gauge Gaμν:

$\mathcal{L}_{\mathrm{QCD}} = \sum_i \bar{\psi}_i(i\gamma^\mu D_\mu - m_i)\psi_i \;-\;\tfrac{1}{4}G^a_{\mu\nu}G^{a\mu\nu},$ trong đó $D_\mu = \partial_\mu - ig_s T^a A^a_\mu$, và $G^a_{\mu\nu} = \partial_\mu A^a_\nu - \partial_\nu A^a_\mu + g_s f^{abc} A^b_\mu A^c_\nu$.

Gluon, hạt mang tương tác mạnh, mang cả “màu” lẫn “phản màu” nên có khả năng tự tương tác (self-interaction). Tính chất này khác biệt so với photon trong QED, tạo ra hiện tượng confinement và asymptotic freedom. Hệ số tương tác mạnh αs tỷ lệ nghịch với log năng lượng Q²:

$\alpha_s(Q^2) \approx \frac{4\pi}{\beta_0 \ln(Q^2/\Lambda_{\mathrm{QCD}}^2)}$, thể hiện độ yếu dần của tương tác ở năng lượng cao .

Cấu trúc hadron: baryon và meson

Baryon gồm tổ hợp ba quark khác màu trung hòa, ví dụ proton có cấu hình uud và neutron udd. Phân bố màu sắc đảm bảo hadron không mang màu ròng. Thuộc tính spin và parity của baryon được xác định bởi spin quark và đối xứng không gian, dẫn đến các multiplet SU(3) flavor như octet và decuplet.

Meson là cặp quark–phản quark, gồm các họ như pion (π) và kaon (K). Pion (u\bar{d}, d\bar{u}, u\bar{u}-d\bar{d}) đóng vai trò là meson nhẹ nhất, chịu điều khiển bởi đối xứng chiral broken. Mass hierarchy meson thể hiện tương tác mạnh hậu trường và hiệu ứng triệt tiêu (annihilation).

• Baryon octet: Nucleon, Σ, Λ, Ξ.
• Baryon decuplet: Δ, Σ*, Ξ*, Ω-.
• Meson pseudoscalar: π, K, η.
• Meson vector: ρ, K*, φ.

Phương pháp thí nghiệm và phát hiện quark

Deep Inelastic Scattering (DIS) sử dụng electron hoặc neutrino bắn phá nucleon ở SLAC vào cuối thập niên 1960 đã hé lộ cấu trúc điểm bên trong proton, tương ứng với quark . Phân tích phân bố năng lượng và góc tán xạ cho phép đo phân bố phần tử cấu trúc (PDFs) fi(x,Q²).

Tại các máy gia tốc LHC và RHIC, các jet từ quark và gluon được phân tích bằng detector ATLAS, CMS và ALICE để phân biệt tính chất quark-jet và gluon-jet. Các hạt nặng charm và bottom (heavy flavor) được phát hiện qua decay vertex displaced và nhận dạng bằng silicon tracker. Top quark, nặng nhất, được khám phá năm 1995 tại Tevatron qua kênh t\bar{t} → W⁺b W⁻\bar{b}.

Khối lượng quark và tần suất tạo sinh

Khối lượng quark không phải hằng số, phụ thuộc vào renormalization scale μ. Theo PDG, m_u(2 GeV) ≈ 2.16 MeV, m_d ≈ 4.67 MeV, m_s ≈ 93 MeV; trong khi m_c ≈ 1.27 GeV, m_b ≈ 4.18 GeV và m_t ≈ 172.5 GeV . Heavy quark chỉ tồn tại trong thời gian ngắn trước khi phân rã, phản ánh qua width Γ ~ GFmt³.

Ứng dụng và nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu trạng thái plasma quark–gluon (QGP) tại ALICE và RHIC nhằm mô phỏng điều kiện 10⁻⁶ giây sau Big Bang, khảo sát tính chất nóng chảy hàm lượng gốc quark và gluon. Kết quả đo elliptic flow v₂ và jet quenching chỉ ra môi trường QGP có mật độ năng lượng cao và độ nhớt thấp .

Lattice QCD, sử dụng mạng máy tính tính toán non-perturbative, đã đạt độ chính xác cao trong dự đoán khối lượng hadron và hằng số phân rã. Nghiên cứu beyond Standard Model tập trung tìm dấu hiệu compositeness của quark hoặc tương tác mới (contact interactions) qua đo phân bố jet tại năng lượng cực cao.

Tài liệu tham khảo

1. CERN. “Quarks.” https://home.cern/science/physics/quarks
2. SLAC. “Deep Inelastic Scattering.” https://www.slac.stanford.edu/history/exhibits/Rowe/dis.html
3. Particle Data Group. “Review of Particle Physics.” https://pdg.lbl.gov
4. Gross D. J., Politzer H. D. “Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories.” Phys. Rev. Lett. 30, 1343 (1973).
5. Shuryak E. “The QCD vacuum, hadrons and the superdense matter.” World Scientific (2004).
6. ALICE Collaboration. “Elliptic flow of charged particles in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV.” Phys. Rev. Lett. 105, 252302 (2010).