Vật lý hạt là một nhánh của vật lý nghiên cứu bản chất của các hạt cấu thành nên vật chất và bức xạ. Mặc dù các hạt này không thể nhìn thấy được bằng mắt thường nhưng tác động của chúng thực sự rất lớn đối với vũ trụ. Lĩnh vực này nghiên cứu các thành phần nhỏ nhất của vật chất và cách chúng tương tác với nhau. Hiểu được những hạt này và sự tương tác của chúng giúp chúng ta hiểu được vũ trụ ở quy mô lớn.
Mô hình Chuẩn của vật lý hạt là một lý thuyết mô tả ba trong số bốn lực cơ bản đã biết trong vũ trụ (tương tác điện từ, yếu và mạnh, nhưng không có lực hấp dẫn) và phân loại tất cả các hạt cơ bản đã biết. Nó chia các hạt thành hai nhóm chính: fermion và boson.
Fermion là các khối xây dựng của vật chất. Chúng có spin bán nguyên và tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, nghĩa là không có hai fermion nào có thể chiếm giữ cùng một trạng thái lượng tử cùng một lúc. Fermion còn được phân loại thành lepton và quark.
Boson là các hạt mang lực và có spin nguyên. Chúng không tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli. Có bốn loại boson trong Mô hình Chuẩn:
Trong vũ trụ, có bốn tương tác cơ bản chi phối hành vi của mọi vật chất và năng lượng. Mô hình Chuẩn giải thích thành công ba điều sau:
Lực hấp dẫn, lực thứ tư, vẫn chưa được Mô hình Chuẩn mô tả. Nó được giải thích bằng thuyết tương đối rộng và được cho là được trung gian bởi một hạt lý thuyết gọi là graviton.
Để nghiên cứu vật lý hạt, các nhà khoa học sử dụng những cỗ máy lớn gọi là máy gia tốc hạt để tăng tốc và cho các hạt va chạm ở năng lượng cao. Những va chạm này tạo ra các hạt mới và cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu tính chất của các hạt này.
Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN gần Geneva, Thụy Sĩ, là máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất thế giới. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện ra boson Higgs.
Lý thuyết trường lượng tử là khung lý thuyết của vật lý hạt. Nó kết hợp cơ học lượng tử và thuyết tương đối đặc biệt. QFT mô tả các hạt là trạng thái kích thích của trường cơ bản của chúng. Ví dụ, photon là sự kích thích của trường điện từ và electron là sự kích thích của trường điện tử.
Đối với mỗi hạt đều tồn tại một phản hạt có điện tích trái dấu. Khi một hạt gặp phản hạt của nó, chúng sẽ hủy lẫn nhau, tạo ra tia gamma. Phản vật chất được sử dụng trong hình ảnh y tế và là đối tượng nghiên cứu nhằm tìm hiểu sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ.
Neutrino là những hạt cực nhẹ, trung tính, tương tác rất yếu với vật chất khác. Hàng tỷ neutrino đi qua chúng ta mỗi giây và hầu hết không được chú ý. Neutrino đến từ mặt trời và các nguồn thiên văn khác. Chúng rất quan trọng để hiểu các quá trình của sao và cấu trúc của vũ trụ.
Vật lý hạt là một lĩnh vực hấp dẫn và phức tạp nhằm khám phá các thành phần và lực cơ bản của vũ trụ. Thông qua các thí nghiệm sử dụng máy gia tốc hạt như LHC và các khung lý thuyết như Mô hình Chuẩn và Lý thuyết Trường Lượng tử, các nhà khoa học tiếp tục khám phá những bí ẩn của vũ trụ, mỗi lần một hạt.
