Quark

Lịch sử

Mô hình quark đã được hai nhà vật lý Murray Gell-Mann
và George Zweig đề xuất một cách độc lập vào năm 1964. Đề xuất được đưa ra ngay sau khi Gell-Mann đưa ra công thức của hệ thống phân loại hạt còn gọi là Bát Chính Đạo năm 1961—hay, theo thuật ngữ vật lý, đối xứng vị SU(3). Nhà vật lý người Israel Yuval Ne'eman đã độc lập phát triển một biểu đồ tương tự với Bát Chính Đạo trong cùng năm này.
Tại thời điểm ban đầu của lý thuyết quark, khái niệm "vườn hạt" đã được đưa ra, để bao gồm các hạt khác, kể cả các hadron. Gell-Mann và Zweig khẳng định rằng chúng không phải là các hạt cơ bản, thay vào đó là tổ hợp thành phần của các quark và các phản quark. Mô hình của họ bao gồm ba vị của quark – lên u, xuống d, và lạ s –và họ quy cho chúng các tính chất như spin và điện tích. Phản ứng ban đầu của cộng đồng vật lý đối với giả thiết này là lẫn lộn. Đã có sự tranh cãi đặc biệt về liệu các quark là một thực thể vật lý hay chỉ là một sự trừu tượng để dùng giải thích các khái niệm mà không được hiểu một cách thông thường tại thời điểm đó.
Chỉ trong ít năm sau, sự mở rộng mô hình Gell-Mann – Zweig đã được đề xuất. Sheldon Lee Glashow và James Bjorken đã tiên đoán sự tồn tại của vị quark thứ tư, mà họ gọi là duyên. Đề xuất này được thêm vào bởi vì nó cho phép một cách miêu tả tốt hơn tương tác yếu (cơ chế cho phép các quark bị phân rã), làm cân bằng số các quark đã biết với số các lepton đã biết, và hàm ý một công thức khối lượng làm sửa lại một cách chính xác khối lượng của các meson trước đó.
Năm 1968, các thí nghiệm tán xạ phi đàn hồi sâu tại Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC) cho thấy proton chứa các thành phần nhỏ hơn, các hạt giống như điểm và chứng tỏ proton không phải là một hạt cơ bản. Các nhà vật lý đã không sẵn sàng đồng nhất các hạt này với các quark tại thời điểm đó, thay vào đó họ gọi chúng là "các parton" – một thuật ngữ do Richard Feynman đưa ra. Các hạt được quan sát tại SLAC sau đó được đồng nhất với các quark lên u và quark xuống d, và nhiều quark (hương) sau đó đã được khám phá ra. Tuy thế, "parton" vẫn còn được sử dụng là một thuật ngữ chung cho các thành phần của các hadron (quark, phản quark, và gluon).
Sự tồn tại của quark lạ s đã được xác nhận một cách gián tiếp trong thí nghiệm tán xạ ở SLAC: không chỉ là một thành phần cần thiết trong mô hình 3 quark của Gell-Mann và Zweig, nó cũng cung cấp một cách giải thích cho các hadron kaon (K) và pion (π) đã được khám phá ra trong các tia vũ trụ năm 1947.
Trong một bài báo năm 1970, Glashow, John Iliopoulos và Luciano Maiani trình bày một lý do sâu hơn cho sự tồn tại của hạt quark duyên chưa được khám phá. Số các hương quark được đề xuất tăng lên đến 6 vào năm 1973, khi Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa chú ý rằng các quan sát thực nghiệm trong vi phạm CP có thể được giải thích nếu tồn tại một cặp quark khác.
Các quark duyên đã được tạo ra hầu như đồng thời bởi hai nhóm nhà khoa học vào tháng 11 năm 1974 (xem Cuộc Cách mạng tháng Mười một)—một tại SLAC dưới sự lãnh đạo của Burton Richter, và một tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven dưới sự lãnh đạo của Samuel Ting. Quark duyên đã được quan sát khi nó liên kết với phản quark duyên trong các meson. Hai nhóm nhà khoa học đã đặt tên cho meson được khám phá ra với hai ký hiệu khác nhau, J và ψ; do đó nó thường được biết đến với tên gọi meson J/ψ. Sự khám phá cuối cùng đã thuyết phục được cộng đồng các nhà vật lý rằng mô hình quark là đúng đắn.
Trong những năm sau, đã xuất hiện một số các đề nghị cho sự mở rộng mô hình quark lên tới 6 quark. Một trong số này, Haim Harari đăng bài báo năm 1975 trong đó lần đầu tiên ông đề cập đến thuật ngữ quark đỉnh và quark đáy.
Năm 1977, quark đáy được quan sát bởi một đội các nhà khoa học tại Fermilab đứng đầu bởi Leon Lederman. Đây là một dấu hiệu mạnh cho sự tồn tại của quark đỉnh: nếu không có quark đỉnh, quark đáy sẽ không có đối tác của nó. Tuy vậy, cho đến tận năm 1995 thì quark đỉnh mới được quan sát, cũng bởi Máy dò Va chạm tại Fermilab (CDF) và DØ bởi các nhà khoa học tại Fermilab. Quark đỉnh có khối lượng lớn hơn so với giá trị suy đoán trước đó—nặng tương đương, thậm chí hơn cả nguyên tử vàng.

Nguồn gốc tên gọi

Gell-Mann nảy sinh ý định đặt tên là quark khi ông nghe âm thanh do những con vịt phát ra. Ban đầu, ông chưa thực sự quyết định được cách viết chính thức cho những thuật ngữ ông đang nghiên cứu, cho đến khi ông tìm thấy từ quark trong quyển sách Finnegans Wake của James Joyce: 
Three quarks for Muster Mark!

Sure he has not got much of a bark

And sure any he has it's all beside the mark.
—James Joyce, Finnegans Wake
Gell-Mann miêu tả chi tiết về tên gọi quark trong cuốn sách của ông, The Quark and the Jaguar:
Zweig thích cái tên ace hơn trong lý thuyết của ông, nhưng thuật ngữ của Gell-Mann trở nên thông dụng khi mô hình quark đã được chấp nhận rộng rãi.
Các hương của quark được đặt tên do một số các lý do. Các quark lên và xuống được đặt theo tên của các thành phần lên và dưới của spin đồng vị mà chúng mang. Quark lạ được đặt tên như vậy do nó được khám phá là các thành phần của các hạt lạ được khám phá ở trong tia vũ trụ nhiều năm trước khi mô hình quark được đưa ra; những hạt này được nghĩ là "lạ" do chúng có thời gian sống không bình thường. Glashow, người đồng đưa ra 'quark lạ' với Bjorken, nói rằng "Chúng tôi đưa ra sự kiến thiết của chúng tôi về 'quark lạ' do chúng tôi thấy thích thú và dễ chịu bởi sự đối xứng của nó mang lại cho thế giới hạt hạ nguyên tử." Các tên gọi "đỉnh", "đáy" do Harari đưa ra, đã được chọn bởi vì chúng "mang tính logic với các quark trên và dưới". Trước đây, các quark đỉnh t và đáy b thỉnh thoảng được gọi tương ứng là "sự thật" (truth) và "đẹp" (beauty), nhưng những tên gọi này sau đó không còn được sử dụng nữa.

Tương tác giữa các quark

Được miêu tả bởi sắc động lực học lượng tử, tương tác mạnh giữa các quark được truyền đi bởi các gluon, những hạt boson gauge vector phi khối lượng. Mỗi gluon mang một màu tích và một phản màu tích. Trong mô hình chuẩn của tương tác giữa các hạt (một phần của mô hình tổng quát hơn gọi là lý thuyết nhiễu loạn, các gluon liên tục được trao đổi giữa các quark với nhau thông qua một quá trình hấp thụ và phát ra các hạt ảo. Khi một gluon được truyền đi giữa các quark, màu tích cũng được thay đổi theo; ví dụ, nếu một quark đỏ phát ra một gluon đỏ-phản lục, thì quark này sẽ trở thành quark lục, và ngược lại nếu một quark lục hấp thụ một gluon đỏ-phản lục thì nó sẽ trở thành một quark đỏ. Do vậy, trong khi màu của quark liên tục bị thay đổi, tương tác mạnh giữa chúng luôn được bảo toàn.
Do các gluon mang màu tích, tự chúng có thể phát ra hoặc hấp thụ những gluon khác. Điều này là nguyên nhân của tính tự do tiệm cận: khi các quark càng lại gần với nhau hơn, lực liên kết sắc động lực học lượng tử giữa chúng trở nên yếu hơn.
Ngược lại, khi khoảng cách giữa các quark tăng lên, lực liên kết giữa chúng trở nên mạnh hơn. Trường màu bị nén mạnh, giống như sợi dây cao su có xu hướng co lại khi bị kéo giãn, và nhiều gluon với màu tích thích hợp được tạo ra một cách tự phát làm mạnh thêm trường màu. Vượt quá 1 mức năng lượng xác định, những cặp quark và phản quark được tạo ra. Những cặp này liên kết các quark bị tách biệt với nhau, làm cho những hadron mới được tạo ra. Hiệu ứng này được gọi là sự giam hãm màu: Các quark không bao giờ xuất hiện một cách cô lập. Quá trình hadron hóa này xuất hiện trước khi quark hình thành trong một va chạm năng lượng cao có thể tương tác được với các hạt khác theo một cách bất kì nào đó. Chỉ có quark đỉnh t là một ngoại lệ, nó có thể phân rã trước khi bị hadron hóa.

Biển quark

Các hadron, cùng với các quark hóa trị (qᵥ) đóng góp vào các số lượng tử của chúng, chứa các cặp hạt quark ảo-phản quark ảo (qq) gọi là biển quark (qₛ). Biển quark hình thành khi một gluon của trường màu hadron tách ra; quá trình này cũng xảy ra ngược lại trong sự hủy của hai biển quark để tạo ra một gluon. Kết quả là một dòng không đổi các gluon tách ra và tạo thành cái thường gọi là "biển quark". Biển quark ít ổn định hơn các quark hóa trị, và chúng thường hủy lẫn nhau bên trong các hadron. Mặc dù vậy, biển quark có thể hadron hóa thành các hạt baryon hoặc meson trong những điều kiện xác định.