Mô hình Chuẩn là một lý thuyết trong vật lý hạt giải thích cách các hạt và lực cơ bản của vũ trụ tương tác với nhau. Nó kết hợp cơ học lượng tử và thuyết tương đối đặc biệt để cung cấp một khuôn khổ để hiểu cấu trúc của vật chất ở quy mô nhỏ nhất. Mô hình Chuẩn được hỗ trợ bởi bằng chứng thực nghiệm và là một trong những lý thuyết được kiểm tra chặt chẽ nhất trong khoa học.
Mô hình Chuẩn mô tả ba trong số bốn lực cơ bản đã biết trong vũ trụ: lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh. Nó không bao gồm lực hấp dẫn, được mô tả bởi thuyết tương đối rộng. Mô hình này phân loại tất cả các hạt cơ bản đã biết thành hai nhóm chính: fermion và boson.
Fermion là các khối xây dựng của vật chất. Chúng được chia thành hai nhóm: quark và lepton. Quark có sáu “mùi”: lên, xuống, quyến rũ, lạ, trên và dưới. Chúng kết hợp theo những cách cụ thể để tạo thành proton và neutron, tạo nên hạt nhân nguyên tử. Lepton bao gồm các electron, muon, taus và neutrino tương ứng của chúng. Các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử được hình thành bởi proton và neutron, tạo nên các nguyên tử.
Boson là các hạt trung gian lực cơ bản giữa các fermion. Photon ( \(\gamma\) ) là hạt mang lực điện từ, các boson W và Z làm trung gian cho lực hạt nhân yếu và gluon ( \(g\) ) mang lực hạt nhân mạnh. Boson Higgs ( \(H\) ) là một hạt đặc biệt liên kết với trường Higgs, tạo ra khối lượng cho các hạt khác.
Lực điện từ được mô tả bằng lý thuyết Điện động lực học lượng tử (QED). Nó chịu trách nhiệm cho sự tương tác giữa các hạt tích điện thông qua việc trao đổi photon. Lực điện từ liên kết các electron với hạt nhân nguyên tử, tạo thành các nguyên tử. Phương trình tương tác của lực điện từ có thể được biểu diễn dưới dạng:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)trong đó \(F\) là lực, \(k e\) là hằng số Coulomb, \(q1\) và \(q_2\) là các điện tích và \(r\) là khoảng cách giữa các điện tích.
Lực hạt nhân yếu gây ra sự phân rã phóng xạ và một số phản ứng hạt nhân nhất định. Nó được trung gian bởi các boson W và Z. Một ví dụ về quá trình liên quan đến lực yếu là phân rã beta, trong đó neutron trong hạt nhân nguyên tử biến đổi thành proton, phát ra một electron và một phản neutrino electron ( \(\bar{\nu}_e\) ). Sự tương tác có thể được biểu diễn dưới dạng:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)Lực hạt nhân mạnh liên kết các quark lại với nhau để tạo thành proton và neutron và giữ hạt nhân nguyên tử lại với nhau. Nó là lực mạnh nhất trong bốn lực cơ bản nhưng tác dụng trong khoảng cách rất ngắn. Lực mạnh được trung gian bởi gluon và cường độ của nó được mô tả bằng Sắc động lực học lượng tử (QCD). Lực giữa các quark được cho bởi:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ ở khoảng cách ngắn} \)nhưng tăng theo khoảng cách, giam giữ các quark trong proton và neutron.
Cơ chế Higgs giải thích cách các hạt thu được khối lượng. Nó đề xuất một trường, trường Higgs, thấm vào vũ trụ. Các hạt tương tác với trường này tăng khối lượng; tương tác càng mạnh thì hạt càng nặng. Boson Higgs là hạt lượng tử hóa liên quan đến trường này, được phát hiện vào năm 2012 tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) của CERN.
Những tiên đoán của Mô hình Chuẩn đã được xác nhận qua nhiều thí nghiệm. Những khám phá đáng chú ý bao gồm quark đỉnh (1995), neutrino tau (2000) và boson Higgs (2012). Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) của CERN và Máy va chạm Tevatron của Fermilab đóng vai trò quan trọng trong những khám phá này. Những thí nghiệm này bao gồm các hạt va chạm ở năng lượng cao và quan sát kết quả, mang lại cái nhìn sâu sắc về các thành phần cơ bản của vật chất và các lực tác dụng lên chúng.
Mặc dù Mô hình Chuẩn cực kỳ thành công nhưng nó cũng có những hạn chế. Nó không giải thích được vật chất tối và năng lượng tối của vũ trụ, sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất hay lực hấp dẫn. Các lý thuyết như siêu đối xứng và lý thuyết dây đề xuất mở rộng Mô hình Chuẩn để giải quyết những bí ẩn này, nhưng vẫn còn thiếu bằng chứng thực nghiệm cho những lý thuyết này.
Nghiên cứu đang diễn ra về vật lý hạt nhằm mục đích làm sâu sắc thêm sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, có khả năng dẫn đến một lý thuyết toàn diện hơn bao gồm cả bốn lực cơ bản và giải quyết các câu hỏi chưa có lời giải đáp của Mô hình Chuẩn.
