Mô hình Chuẩn

Mô hình Chuẩn của vật lý hạt là một thuyết bàn về các tương tác hạt nhân mạnh, yếu, và điện từ cũng như xác định tất cả những hạt hạ nguyên tử đã biết. Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, Mô hình Chuẩn là một phần của lý thuyết trường lượng tử, một lý thuyết đã kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về 3 lực miêu tả bởi Mô hình Chuẩn đều đúng như những dự đoán của thuyết này. Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn vẫn chưa là một thuyết thống nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt của lực hấp dẫn.
Mô hình Chuẩn chứa cả hai loại hạt cơ bản là fermion và boson. Fermion là những hạt có spin bán nguyên và tuân thủ theo nguyên lý loại trừ của Wolfgang Pauli, nguyên lý cho rằng không có hai fermion nào có cùng trạng thái lượng tử với nhau. Các hạt boson có spin nguyên và không tuân theo nguyên lý Pauli. Khái quát hóa, fermion là những hạt vật chất còn boson là những hạt truyền tương tác.
Trong Mô hình Chuẩn, thuyết điện từ - yếu (bao gồm cả tương tác yếu lẫn lực điện từ) được kết hợp với thuyết sắc động lực học lượng tử. Tất cả những thuyết này đều là lý thuyết gauge, có nghĩa là chúng mô hình hóa các lực giữa các fermion bằng cách tạo ra các boson, có tác dụng như các thành phần trung gian. Hệ Lagrangian của mỗi tập hợp hạt boson trung gian không thay đổi dưới một dạng biến đối gọi là biến đổi gauge, vì thế các boson này còn được gọi là gauge boson. Các boson trong Mô hình Chuẩn là:
Photon, hạt trung gian trong tương tác điện từ.
W và Z boson, hạt trung gian trong lực hạt nhân yếu.
8 gluon, hạt truyền trung gian trong lực hạt nhân mạnh. 6 trong số các gluon được đánh dấu bằng các cặp "màu" và "đối màu" (ví dụ như một hạt gluon mang màu "đỏ" và "đối đỏ"), 2 gluon còn lại là cặp màu được "pha trộn" phức tạp hơn.
Higgs boson, hạt gây ra bất đối xứng trong các nhóm gauge, và cũng là loại hạt tạo ra khối lượng quán tính.
Biến đổi gauge của các gauge boson có thể được miêu tả bởi một nhóm unita, gọi là nhóm gauge. Nhóm gauge của tương tác mạnh là SU(3), nhóm gauge của tương tác yếu là SU(2)xU(1). Vì vậy, Mô hình Chuẩn thường được gọi là SU(3)xSU(2)xU(1). Higg boson là boson duy nhất không thuộc gauge boson, các tính chất của boson này vẫn còn được bàn cãi. Graviton là boson được cho là hạt truyền tương tác của tương tác hấp dẫn, nhưng không được nhắc đến trong Mô hình Chuẩn.
Có 12 dạng fermion khác nhau trong Mô hình Chuẩn. Cùng với các hạt proton, neutron và electron, những fermion cấu thành nền phần lớn các vật chất. Mô hình Chuẩn xác định mỗi electron là hạt cơ bản; proton và neutron là hạt tổ hợp, được tạo bởi các hạt nhỏ hơn có tên gọi là quark. Các hạt quark dính với nhau bởi tương tác mạnh. Các hạt fermion cơ bản được nhắc đến trong Mô hình Chuẩn là:
|  Fermion >  Thế hệ thứ nhất  |  Ký hiệu >  Thế hệ thứ nhất  |  Điện tích >  Thế hệ thứ nhất  |  Tích yếu*>  Thế hệ thứ nhất  |  Spin đồng vị yếu >  Thế hệ thứ nhất  |  Siêu tích điện >  Thế hệ thứ nhất  |  Màu tích*>  Thế hệ thứ nhất  |  Khối lượng** >  Thế hệ thứ nhất  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  Electron  |  e⁻ , β⁻   |  -1 |  2 |  -1/2  |  -1/2 |  1  |  0.511 MeV  |
|  Neutrino electron  |  ν e  |  0 |  2 |  +1/2  |  -1/2  |  1 | < 50 eV  |
|  Positron  |  e+ , β+   |  1 |  1 |  0  |  1 |  1  |  0.511 MeV  |
|  Phản neutrino electron  |  ν e  |  0 |  1 |  0  |  0  |  1 | < 50 eV  |
|  Quark lên  |  t  |  +2/3  |  2 |  +1/2  |  +1/6 |  3  |  ~5 MeV ***  |
|  Quark xuống  |  d  |  -1/3  |  2 |  -1/2  |  +1/6 |  3  |  ~10 MeV ***  |
|  Phản quark lên  |  t  |  -2/3  |  1 |  0  |  -2/3 |   {\bar {3}}  |  ~5 MeV ***  |
|  Phản quark xuống  |  d  |  +1/3  |  1 |  0  |  +1/3 |   {\bar {3}}  |  ~10 MeV ***  |
 Thế hệ thứ hai 
|  Muon  |  μ⁻   |  -1 |  2 |  -1/2  |  -1/2 |  1  |  105.6 MeV  |
|  Neutrino muon  |  ν μ  |  0 |  2 |  +1/2  |  -1/2  |  1 |  < 0.5 MeV  |
|  Phản muon  |  μ+   |  1 |  1 |  0  |  1 |  1  |  105.6 MeV  |
|  Phản neutrino muon  |  ν μ  |  0 |  1 |  0  |  0  |  1 |  < 0.5 MeV  |
|  Quark duyên  |  c  |  +2/3  |  2 |  +1/2  |  +1/6 |  3  |  ~1.5 GeV  |
|  Quark lạ  |  s  |  -1/3  |  2 |  -1/2  |  +1/6 |  3  |  ~100 MeV  |
|  Phản quark duyên  |  c  |  -2/3  |  1 |  0  |  -2/3 |   {\bar {3}}  |  ~1.5 GeV  |
|  Phản quark lạ  |  s  |  +1/3  |  1 |  0  |  +1/3 |   {\bar {3}}  |  ~100 MeV  |
 Thế hệ thứ 3 
|  Tau  |  τ⁻   |  -1 |  2 |  -1/2  |  -1/2 |  1  |  1.784 GeV  |
|  Neutrino tau  |  ν τ  |  0 |  2 |  +1/2  |  -1/2  |  1 |  < 70 MeV  |
|  Phản tau  |  τ+   |  1 |  1 |  0  |  1 |  1  |  1.784 GeV  |
|  Phản neutrino tau  |  ν τ  |  0 |  1 |  0  |  0  |  1 |  < 70 MeV  |
|  Quark đỉnh  |  t  |  +2/3  |  2 |  +1/2  |  +1/6 |  3  |  178 GeV  |
|  Quark đáy  |  b  |  -1/3  |  2 |  -1/2  |  +1/6 |  3  |  ~4.7 GeV  |
|  Phản quark đỉnh  |  t  |  -2/3  |  1 |  0  |  -2/3 |   {\bar {3}}  |  178 GeV  |
|  Phản quark đáy  |  b  |  +1/3  |  1 |  0  |  +1/3 |   {\bar {3}}  |  ~4.7 GeV  |
Các fermion có thể được sắp xếp trong 3 lớp, lớp thứ nhất có chứa electron, quark lên (up), quark xuống (down) và neutrino electron. Tất cả các vật chất nguyên sinh được tạo bởi nhóm hạt ở lớp đầu tiên; các hạt ở lớp cao hơn phân rã nhanh chóng xuống lớp thứ nhất và chỉ có thể được tổng hợp trong một thời gian thực ngắn, thông qua các thí nghiệm năng lượng cao. Lý do để sắp xếp các fermion vào các lớp khác nhau mặc dù các đặc điểm của chúng gần giống nhau, ví dụ như electron và muon cùng có spin bán nguyên và có cùng điện tích electron, là do khối lượng của muon lớp gấp 200 lần khối lượng của electron và, do đó, chúng được sắp xếp vào các lớp riêng biệt.