You will know the truth, and the Truth will set you free”
(Ngươi sẽ biết được sự thật, và sự thật sẽ giải thoát ngươi)
John
“The truth is rarely pure and is never simple”
(Sự thật ít khi trong sáng và không bao giờ đơn giản)
Oscar Wilde (nhà thơ, nhà văn Ái Nhĩ Lan)
Tôn giáo được sáng chế bởi nhân loại để tìm hiểu và giải thích sự thật khi vắng bóng khoa học. Và với sự tiến bộ của khoa học trong một thời gian ngắn, rất nhiều sự thật được khám phá và giải thích rõ ràng hơn so với những gì tôn giáo đã làm trong nhiều nghìn năm qua. Những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học y tế đã làm vơi đi nỗi khổ đau cho nhiều người so với những gì tôn giáo có thể làm. Song song với sự tiến bộ của khoa học là sự thoái trào của niềm tin tôn giáo trong lòng nhiều người, do đó những tranh luận về khoa học và tôn giáo càng thêm sôi nổi khi tôn giáo và khoa học cùng bước vào lĩnh vực siêu hình qua phát minh kỹ thuật của máy gia tốc hạt.
Leonardo Vetra - môt nhà khoa học, lại là một linh mục cơ đốc giáo - muốn hợp nhất khoa học và tôn giáo để đưa ra lĩnh vực mới “ Vật lí mới” với công trình nghiên cứu về máy gia tốc hạt và phản vật chất.[ ]
Theo danh sách mà tạp chí Mỹ Time bình chọn, sự kiện khoa học lớn nhất trong top-ten của năm 2008 là việc máy gia tốc hạt nhân (Large Hadron Collider - LHC) lớn nhất thế giới được khởi động ngày 10/9/2008.[ ]
Tất cả là lí do chúng em tìm hiểu đề tài này.
53 trang |
Chia sẻ: ngtr9097 | Lượt xem: 4406 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Máy gia tốc hạt, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
Khoa vật lý
&
Bài Thực Hành
Môn: Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học
Đề tài:
GVHD: Lê Văn Hoàng
SVTH :
Nguyễn Hải Âu
Đỗ Thị Thanh
Đỗ Thị Hồng Thấm
Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 5 năm 2009
Mục lục
Mở đầu:………………………………………………………………………….. 2
Mở Đầu
“You will know the truth, and the Truth will set you free”(Ngươi sẽ biết được sự thật, và sự thật sẽ giải thoát ngươi)John “The truth is rarely pure and is never simple”(Sự thật ít khi trong sáng và không bao giờ đơn giản)Oscar Wilde (nhà thơ, nhà văn Ái Nhĩ Lan)
Tôn giáo được sáng chế bởi nhân loại để tìm hiểu và giải thích sự thật khi vắng bóng khoa học. Và với sự tiến bộ của khoa học trong một thời gian ngắn, rất nhiều sự thật được khám phá và giải thích rõ ràng hơn so với những gì tôn giáo đã làm trong nhiều nghìn năm qua. Những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học y tế đã làm vơi đi nỗi khổ đau cho nhiều người so với những gì tôn giáo có thể làm. Song song với sự tiến bộ của khoa học là sự thoái trào của niềm tin tôn giáo trong lòng nhiều người, do đó những tranh luận về khoa học và tôn giáo càng thêm sôi nổi khi tôn giáo và khoa học cùng bước vào lĩnh vực siêu hình qua phát minh kỹ thuật của máy gia tốc hạt.
Leonardo Vetra - môt nhà khoa học, lại là một linh mục cơ đốc giáo - muốn hợp nhất khoa học và tôn giáo để đưa ra lĩnh vực mới “ Vật lí mới” với công trình nghiên cứu về máy gia tốc hạt và phản vật chất.[ DAN BROWN ,Thiên Thần Và Ác Qủy,2007, Nhà Xuất Bản Văn Hóa Thông Tin Hà Nội, tr 60-61
]
Theo danh sách mà tạp chí Mỹ Time bình chọn, sự kiện khoa học lớn nhất trong top-ten của năm 2008 là việc máy gia tốc hạt nhân (Large Hadron Collider - LHC) lớn nhất thế giới được khởi động ngày 10/9/2008.[
]
Tất cả là lí do chúng em tìm hiểu đề tài này.
Lịch sử máy gia tốc hạt:
Định nghĩa máy gia tốc hạt:
Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện đều được gọi chung là máy gia tốc hạt.
Vì vậy nguyên lý hoạt động, cấu tạo, kích thước của các máy gia tốc là khác nhau. Máy gia tốc được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.
Trong vật lý, máy gia tốc đóng vai trò đặc biệt quan trọng, nó được sử dụng trong nghiên cứu các hạt sơ cấp.
Phân loại máy gia tốc hạt:
Người ta phân biệt hai loại máy gia tốc:
Máy gia tốc thẳng:
Máy gia tốc thẳng là loại máy gia tốc cổ. Máy gia tốc thẳng cổ nhất là máy gia tốc kiểu Vi-do-ro-e ra đời từ năm 1930: cho chùm hạt mang điện đi qua một dãy nối tiếp các miền trong đó có điện trường, các hạt mang điện sẽ được tăng tốc nhờ điện trường. Cuối cùng, các hạt mang điện có thể có năng lượng khoảng vài trăm MeV.
Trong ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc người ta thường dùng phối hợp máy gia tốc thẳng với máy gia tốc vòng. một số máy gia tốc thẳng có thể kể đến law chiếc máy của Pháp, khánh thành năm 1958, và những thí nghiệm đầu tiên được tiến hành vào năm 1959.
Máy gia tốc vòng:
Máy gia tốc vòng là loại máy gia tốc trong đó các hạt chuyển động theo các đường vòng. Để buộc các hạt chuyển động theo các đường vòng, người ta dùng từ trường của nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quĩ đạo của hạt. Còn để tăng tốc các hạt thì người ta dùng điện trường.
+Có hai kiểu máy gia tốc vòng:
Kiểu cyclotron: trong các cyclotron, quĩ đạo của các hạt tích điện là các đường xoáy ốc phẳng.
Kiểu synchrotron: trong các synchrotron, quĩ đạo của các hạt là đường tròn, muốn quĩ đạo của các hạt là đường tròn người ta phải dùng nhiều nam châm có cảm ứng từ khác nhau và bố trí theo thứ tự cảm ứng từ tăng dần. Mỗi khi hạt được tăng tốc thì cảm ứng từ của từ trường phải tăng tương ứng để giữ cho bán kính của quĩ đạo không đổi.
Máy gia tốc hạt đầu tiên:
Cyclotron là một dạng của máy gia tốc hạt.Cyclotrons: gia tốc những hạt tích điện dùng tần số cao. Một từ trường thẳng đứng gây ra cho hạt theo hình xoắn ốc trong một đường tròn để chúng được gia tốc nhiều lần.
Và Ernest Lawrence, của Đại học California, Berkeley, được công nhận với cái máy Cyclotron đầu tiên vào năm 1929.
Cyclotron làm việc thế nào?
Trong Cyclotron, các điện cực được đặt trên ống chân không, một tần số cao cung cấp cho điện cực “D”( hình chữ D) hút và đẩy những hạt điện tích nằm ở trung tâm của từ trường, các hạt này được gia tốc khi vượt xuyên qua khe giữa hai cực.Từ trường thẳng đứng cùng với lực hút giữa nguyên tử với nguyên tử làm tăng chuyển động của hạt trên đường xoắn ốc.
Nếu không thay đổi năng lượng những hạt tích điện trong một từ trường sẽ đi theo một đường tròn. Trong Cyclotron, năng lượng được cung cấp cho hạt mang điện khi chúng vượt qua khoảng giữa “D” và vì vậy chúng được gia tốc và sẽ tăng khối lượng khi mà chúng tiến dần đến năng lượng ánh sáng.Cả hai hiệu ứng( tăng vận tốc và tăng khối lượng) sẽ tăng bán kính của hình tròn và vì vậy đường đi sẽ là một đường xoắn ốc.
(Những hạt điện tích chuyển động trên một đường xoắn ốc, bởi vì dòng điện của electron hoặc ion, phun thẳng đến một từ trường, những thí nghiệm một lực thẳng. Những hạt điện tích chuyển động tự do trong chân không, vì vậy những hạt điện tích phun ra một đường xoắn ốc.)
Bán kính sẽ tăng cho đến khi bắn mục tiêu nằm trên chu vi của ống chân không.Những vật chất khác có thể được dùng làm mục tiêu, và sự va chạm sẽ tạo những hạt điện tích thứ yếu cái mà có thể được dẫn ra ngoài Cyclotron và đi đến dụng cụ phân tích. Kết quả sẽ cho phép tính toán những thuộc tính khác nhau, như là khoảng cách giữa các nguyên tử và những sản phẩm va chạm khác.
Mục đích của Cyclotron
Trong vài thập kỉ, Cyclotron là cái nguồn tốt nhất của những chùm năng lượng cao của thí nghiệm vật lý hạt nhân, vài Cyclotron thì vẫn dùng cho nghiên cứu.
Cyclotron có thể được dùng để xem xét ung thư. Chùm ion từ Cyclotron có thể được dùng, để thâm nhập vào người và diệt khối u ác tính bằng xạ trị.
Chùm Cyclotron có thể được bắn phá những nguyên tử khác để tìm ra các hạt đồng vị.
Một số máy gia tốc hiện nay:[
]
Cyclotrons: Máy gia tốc cộng hưởng từ.
Máy gia tốc
Vị trí
Năm hoạt động
Dạng
Hạt được gia tốc
Động năng
Thành quả
9-inch cyclotron
UC Berkeley
1931
Tròn
H2+
1.0 MeV
Kiểm chứng được khái niệm
11-inch cyclotron
UC Berkeley
1932
Tròn
Proton
1.2 MeV
27-inch cyclotron
UC Berkeley
1932-1936
Tròn
Deuteron
4.8 MeV
Khám phá và kiểm chứng tương tác của hạt Deuteron
37-inch cyclotron
UC Berkeley
1937-1938
Tròn
Deuteron
8 MeV
Khám phá ra các chất đồng vị
60-inch cyclotron
UC Berkeley
1939-1941
Tròn
Deuteron
16 MeV
Khám phá ra các chất đồng vị
184-inch cyclotron
Berkeley Rad Lab[1]
1942-
Tròn
Various
>100 MeV
Nghiên cứu sự tách biệt trên đồng vị urani
Calutrons
Oak Ridge National Laboratory
1943-
Móng ngựa
Uraniumnuclei
Used to separate isotopes for the dự án Manhattan
Máy gia tốc đầu tiên xây dựng tại Lawrence Berkeley National Laboratory, sau đó được biết như là Berkeley Radiation Laboratory.
Một số máy gia tốc cổ khác:
Synchrotrons
Máy gia tốc
Vị trí
Năm hoạt động
Dạng
Hạt được gia tốc
Động năng
Thành quả
Cosmotron
Phòng thí nghiệm quốc tế Brookhaven
1953-1968
Vòng tròn(72 m )
Proton
3.3 GeV
Khám phá mesons nhân tạo
BirminghamSynchrotron
trường đại học Birmingham
1939-
Proton
1 GeV
Bevatron
Berkeley Rad Lab ie LBNL
1954-~1970
Đường thẳng
Proton
6.2 GeV
Khám phá hạt lạ :s,antiproton, antineutron
Bevalac, kết hợp máy gia tốc thẳng SuperHILAC và máy Bevatron
Berkeley Rad Lab ie LBNL
~1970-1993
Đường thẳng
Các hạt nhân đủ vững chắc
Quan sát sự nén của hạt nhân, tia ion tác dụng lên khối ung bứu
Saturne
Saclay, France
3 GeV
Synchrophasotron
Dubna, Russia
December 1949-present
10 GeV
Zero GradientSynchrotron
Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
12.5 GeV
Proton Synchrotron
CERN
1959-present
Vòng tròn (600 m)
Proton
28 GeV
Alternating Gradient Synchrotron
BrookhavenNational Laboratory
1960-
Proton
33 GeV
J/Ψ, muon neutrino, CP sự vi phạm trong kaons
SLAC Linac
Stanford LinearAccelerator center
1966-present
máy gia tốc thẳng 3 km
Electron/Positron
50 GeV
Fermilab Booster
Fermilab
1970-present
Tròn
Protons
8 GeV
Fermilab Main Injector
Fermilab
1995-present
Tròn
Protons and antiprotons
150 GeV
Fermilab Main Ring
Fermilab
1970-1995
Circular Synchrotron
Protons and antiprotons
400 GeV (until 1979), 150 GeV thereafter
Super Proton Synchrotron
CERN
1980-present
Tròn
Protons and ions
480 GeV
Bates Linear Accelerator
Middleton, MA
1967-2005
Thẳng
Electrons phân cực
1 GeV
CEBAF
Thomas Jefferson với máy gia tốc quốc gia Newport News, VA
1984-present
Electrons phân cực
ELSA
Physikalisches Institut der Universität Bonn, Germany
1987-present
synchrotron
electrons
3.5 GeV
ISIS neutron source
Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, Oxon
1984-present
H- Linac
Protons
800 MeV
Năng lượng cao khi tia proton được vận hành
MAMI
Mainz, Germany
855 MeV accelerator
Electrons phân cực
Tevatron
Fermilab
1978-present
Superconducting Circular Synchrotron
Protons
980 GeV
Spallation Neutron Source
Oak Ridge National Laboratory
2006 - Present
Thẳng (335 m) và tròn (248 m)
Protons
800 MeV -1 GeV
Sự va chạm của Electron-positron
Máy gia tốc
Vị trí
Năm vận hành
Hình dạng và chu vi
Năng lượng electron
Năng lượng Positron
Thí nghiệm
Khám phá
AdA
Frascati, Italy; Orsay, France
1961-1964
Tròn, 3 m
250 MeV
250 MeV
công nhận sự ảnh hưởng e+e- (1964)
Princeton-Stanford (e-e-)
Stanford, California
1962-1967
2 vòng tròn, 12 m
300 MeV
300 MeV
Sản xuất cặp e+e-
VEP-1 (e-e-)
Novosibirsk, Soviet Union
1964-1968
2 vòng tròn, 2.7 m
130 MeV
130 MeV
số lượng e+e- trong hiệu ứng phát xạ QED
VEPP-2, VEPP-2M
Novosibirsk, Soviet Union
1965-1999
Tròn, 17.88 m
700 MeV
700 MeV
OLYA, ND, CMD; SND, CMD-2
e+e- -> π (1966), e+e- -> γ (1971)
SPEAR
SLAC
Mark I, Mark II, Mark III
PEP
SLAC
Mark II
SLC
SLAC
45 GeV
45 GeV
SLD, Mark II
LEP
CERN
1989-2000
Tròn , 27km
104 GeV
104 GeV
Aleph, Delphi, Opal, L3
Tương tác yếu,
DORIS
DESY
1974-1993
Tròn , 300m
5 GeV
5 GeV
ARGUS, Crystal Ball, DASP, PLUTO
Sự dao động của B mesons
PETRA
DESY
1978-1986
Tròn , 2km
20 GeV
20 GeV
JADE, MARK-J, PLUTO, TASSO
khám phá gluon
CESR
Cornell University
1979-2002
tròn, 768m
6 GeV
6 GeV
CUSB, CHESS, CLEO, CLEO-2, CLEO-2.5, CLEO-3
First observation of B decay, charmless and "radiative penguin" B decays
CESR-c
Cornell University
2002-2008
Tròn , 768m
6 GeV
6 GeV
CHESS, CLEO-c
PEP-II
SLAC
1998-2008
Tròn , 2.2 km
9 GeV
3.1 GeV
Babar
CP viphạm trong cấu trúc B meson
KEKB
KEK
1999-2008?
Tròn , 3km
8.0 GeV
3.5 GeV
Belle
CP vi phạm trong cấu trúc B meson
VEPP-2000
Novosibirsk
2006-
Tròn , 24m
1.0 GeV
1.0 GeV
VEPP-4M
Novosibirsk
1994-
Tròn , 366m
6.0 GeV
6.0 GeV
BEPC
China
1989-2004
Tròn , 240m
2.2 GeV
2.2 GeV
Beijing Spectrometer (I and II)
DAΦNE
Frascati, Italy
1999-
Tròn , 98m
0.7 GeV
0.7 GeV
KLOE
BEPC II
China
2008-
Tròn , 240m
3.7 GeV
3.7 GeV
Beijing Spectrometer III
Sự va chạm Hadron:
Máy gia tốc
Vị trí
Năm vận hành
Dạng và kích thước
Hạt va chạm
Năng lượng của tia
Những thí nghiệm
IntersectingStorage Rings
CERN
1971-1984
Vòng tròn (948 m)
Proton/Proton
31.5 GeV
(SuperProton Synchrotron)
CERN
1981-1984
Vòng tròn (6.9 km)
Proton/Antiproton
UA1, UA2
TevatronRun I
Fermilab
1992-1995
Vòng tròn (6.3km )
Proton/Antiproton
900 GeV
CDF, D0
TevatronRun II
Fermilab
2001-present
Vòng tròn (6.3 km)
Proton/Antiproton
980 GeV
CDF, D0
RHICproton+proton mode
BNL
2000-present
Vòng tròn (3.8 km)
Polarized Proton/Proton
100 đến 250 GeV
PHENIX, STAR
Large HadronCollider
CERN
2008-present
Vòng tròn (27 km)
Proton/Proton
7 TeV
ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM
Va chạm Electron-proton :
Máy gia tốc
Vị trí
Năm hoạt động
Dạng và kích thước
Năng lượng electron
Năng lượng proton
Thí nghiệm
HERA
DESY
1992(-2007)
Vòng tròn(6336 m)
27.5 GeV
920 GeV
H1, ZEUS, HERMES, HERA-B
Va chạm ion:
Máy gia tốc
Vị trí
Năm vận hành
Hình dạng và kích thước
Ion được dùng
Năng lượng ion
Cuộc thử nghiệm
Relativistic Heavy Ion Collider
Brookhaven National Laboratory, New York
2000-
3.8 km
Au-Au; Cu-Cu; d-Au; polarized pp
0.1 TeV per nucleon
STAR, PHENIX, Brahms, Phobos
Large HadronCollider, ion mode
CERN
2008-
Vòng tròn (27km)
Pb-pb
2.76 TeV per nucleon
ALICE
Vai trò của máy gia tốc:
Tìm hạt cơ bản
Định nghĩa:
Hạt cơ bản là những thực thể vi mô tồn tại như một hạt nguyên vẹn, đồng nhất, không thể tách thành các phần nhỏ hơn; ví dụ như các hạt photon, electron, positron, neutrino…
Tính chất:
Khối lượng nghỉ:
Khối lượng nghỉ hay khối lượng tĩnh của một vật là khối lượng của vật xét trong một hệ quy chiếu mà theo hệ đó, vật là đứng yên. Đại đa số vật chất, trừ phôtôn và nơtrinô, đều có khối lượng nghỉ khác không.
Thời gian tồn tại:
Các hạt cơ bản đa số có thể phân rã thành các hạt khác. Thời gian sống của chúng dao động từ 10-6 đến 10-24 giây. Một số ít hạt cơ bản được gọi là bền, có thời gian sống rất lớn, có thể coi là bền như electron 1022 năm, prôtôn 1030 năm. Người ta nghiên cứu thời gian sống của hạt cơ bản thông qua lý thuyết xác suất, dựa trên thời gian để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ còn lại 0.5n hạt
Điện tích:
Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và nơtrinô ν. Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối đều bằng điện tích nguyên tố của electron 1.602 x 10-19 C
Spin:
Spin là một khái niệm trong vật lý, là bản chất của mô men xung lượng và là một hiện tượng của cơ học lượng tử thuần túy, không cùng với những sự tương đồng trong cơ học cổ điển.
Trong cơ học cổ điển, mô men xung lượng được phát triển từ xung lượng cho sự quay của một vật có khối lượng, và được biểu diễn bằng công thức L = r × p, nhưng spin trong cơ học lượng tử vẫn tồn tại ở một hạt với khối lượng bằng 0, bởi vì spin là bản chất nội tại của hạt đó. Các hạt cơ bản như electron có thể có spin khác 0, ngay cả khi nó được coi là chất điểm và không có cấu trúc nội tại. Khái niệm spin được đưa ra lần đầu vào năm 1925 bởi Ralph Kronig và, đồng thời, bởi George Unlenbeck và Samuel Goudsmit một cách độc lập.
Số lạ:
Số lạ là đại lượng đặc trưng lượng tử của các hạt cơ bản, được đưa ra khi nghiên cứu quá trình phân rã của các hạt mêzôn K: K+, K0, và hyperon Υ: Λ0, Σ+, Σ0, Σ- tuân theo định luật bảo toàn số lạ.
Phản hạt:
Phản hạt của một hạt sơ cấp là hạt có cùng khối lượng như hạt đã cho, song có một hoặc một số tính chất vật lý khác cùng độ lớn nhưng có chiều ngược lại.
Ví dụ, với điện tử và phản hạt của nó positron thì có điện tích trái dấu, nơtron và phản nơtron là mômen từ.
Hầu hết các hạt cơ bản đều có phản hạt, riêng photon thì không - phản của photon cũng chính là photon.
Các cặp hạt - phản hạt:
Điện tử e- - Positron e+
Neutron n – phản neutron antin hay
Proton p hay p + - phản proton hay p −
Phân loại các hạt cơ bản:
Hạt Femion:
Các hạt fermion có spin bán nguyên, ½. Mỗi hạt fermion đều có một phản hạt riêng. Fermion là hạt cơ bản cấu thành nên vật chất. Chúng được phân loại dựa theo tương tác trong thuyết sắc động học phân tử và theo mô hình chuẩn có 12 hương của fermion cơ bản, bao gồm 6 quark và 6 lepton.
Vì có spin nửa nguyên, khi một fermion quay 360°, hàm sóng của fermion sẽ đổi dấu. Đó được gọi là dáng điệu hàm sóng phản đối xứng của fermion. Điều này dẫn đến các fermion tuân theo thống kê Fermi-Dirac, hệ quả của nó là nguyên lý loại trừ Pauli - không có hai fermion nào có thể cùng chiếm một trạng thái cơ lượng tử vào cùng một thời điểm.
Trong Mô hình chuẩn, có hai kiểu fermion cơ bản: quark và lepton. . Vì các số fermion thường được bảo toàn xấp xỉ nên đôi khi chúng còn được gọi là các cấu tạo của vật chất.
YCác quark:
Cấu trúc quark của proton
Cấu trúc quark của neutron
Các quark tương tác với nhau bởi lực màu (color force), mỗi quark đều có phản hạt và tồn tại ở 6 hương.
Hệ
Tên/Hương
Điện tích
Khối lượng (MeV)
Phản quark
1
Trên
(u)
+⅔
1.5 đến 4
Phản quark trên:
Dưới
(d)
−⅓
4 đến 8
Phản quark dưới:
2
Lạ
(s)
−⅓
80 đến 130
Phản quark lạ:
Duyên
(c)
+⅔
1,150 đến 1,350
Phản quark duyên:
3
Đáy
(b)
−⅓
4,100 đến 4,400
Phản quark đáy:
Đỉnh
(t)
+⅔
178,000 ± 4,300
Phản quark đỉnh:
YCác Lepton:
Lepton (tiếng Hy Lạp là λεπτόν) có nghĩa là "nhỏ" và "mỏng". Tên này có trước khi khám phá ra các hạt tauon, một loại hạt lepton nặng có khối lượng gấp đôi khối lượng của proton.
Lepton là hạt có spin bán nguyên, ½, và không tham gia trong tương tác mạnh. Lepton hình thành một nhóm hạt cơ bản phân biệt với các nhóm gauge boson và quark.
Có 12 loại lepton được biết đến, bao gồm 3 loại hạt vật chất là electron, muon và tauon, cùng 3 neutrino tương ứng và 6 phản hạt của chúng. Tất cả các lepton điện tích đều có điện tích là -1 hoặc + 1 (phụ thuộc vào việc chúng là hạt hay phản hạt) và tất cả các neutrino cùng phản neutrino đều có điện tích trung hòa. Số lepton của cùng một loại được giữ ổn định khi hạt tham gia tương tác, được phát biểu trong định luật bảo toàn số lepton.
Hạt điện tích / phản hạt
Neutrino / phản neutrino
Tên
Ký hiệu
Điện tích
Khối lượng (GeV)
Tên
Ký hiệu
Điện tích
Khối lượng (MeV)
Electron / Phản electron (positron)
−1 / +1
0,000511
Electron neutrino / Electron phản neutrino
0
<0,000003
Muon / Phản muon
−1 / +1
0,1056
Muon neutrino / Muon phản neutrino
0
<0,19
Tauon / Phản tauon
−1 / +1
1,777
Tau neutrino / Tau phản neutrino
0
<18,2
Hạt Gauge boson:
Các boson đều có spin nguyên. Các lực cơ bản của tự nhiên đuợc truyền bởi các hạt gauge boson. Theo mô hình chun có 13 loại hạt boson cơ bản:
Quang tử, photon, có spin 1, là hạt truyền tương tác trong lực điện từ.
Các W boson và Z boson có spin 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác yếu.
8 gluon có spin 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác mạnh.
Hiện tại, các thuyết vật lý dự đoán về sự tồn tại của một số boson khác như:
Higgs boson, có spin 0, được dự đoán bởi mô hình chuẩn của thuyết điện yếu thống nhất.
Graviton, có spin 2, được cho là hạt truyền tương tác trong lực hấp dẫn và được dự đoán bởi thuyết hấp dẫn lượng tử.
Các thành phần siêu đối xứng của các hạt fermion (là slepton và squark).
Graviscalar có spin 0.
Graviphoton có spin 1.
Goldstone boson.
X boson và phản X boson được dự đoán trong lý thuyết thống nhất GUT.
Tương tác của các hạt sơ cấp:
Có 4 loại tương tác cơ bản:
Tương tác mạnh:
Lực tương tác mạnh là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Lực này giữ các thành phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton. Lực này được chia làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực mạnh dư. Lực tương tác mạnh ảnh hưởng bởi các hạt quark, phản quark và gluon, cũng như các boson truyền tương tác của chúng. Thành phần cơ bản của tương tác mạnh giữ các quark lại với nhau để hình thành các hadron như proton và neutron. Thành phần dư của tương tác mạnh giữ các hadron lại trong hạt nhân của một nguyên tử. Ở đây còn có một hạt gián tiếp là bosonic hadron, hay còn gọi là meson.
Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang trong mình điện tích màu, ở một trong 3 dạng "đỏ", "xanh lam" hoặc "xanh lơ". Đó chỉ là những tên, hoàn toàn không liên hệ gì với màu thực tế. Đối quark là các hạt như "đối đỏ", "đối xanh lam", "đối xanh lơ". Cùng màu đẩy nhau, trái màu hút nhau. Lực hút giữa hạt màu và hạt đối màu của nó là rất mạnh. Các hạt chỉ tồn tại nếu như tổng màu của chúng là trung hòa, nghĩa là chúng có thể hoặc được kết hợp với đối đỏ, đối xanh lam và đối xanh lơ như trong các hạt baryon, proton và neutron, hoặc một quark và một đối quark của nó có sự tương ứng đối màu (như hạt meson).
Lực tương tác mạnh xảy ra giữa hai quark là nhờ một hạt trao đổi có tên là gluon. Nguyên lý hoạt động của hạt gluon có thể hiểu như trái bòng bàn, và hai quark là hai vận động viên. Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng càng lớn, nhưng khi chúng gần xát nhau, thì lực tương tác này bằng 0. C