Thế nào là hạt cơ bản?

Vào đầu thế kỷ XX, người ta tìm thấy nguyên tử là do điện tử và hạt nhân nguyên tử tạo nên. Nguyên tử đã bé nhưng hạt nhân nguyên tử lại còn bé hơn nhiều. Nếu xem nguyên tử như một toà nhà cao 10 tầng thì hạt nhân nguyên tử chỉ bằng hạt đậu bé tí xíu. Thế nhưng hạt nhân nguyên tử lại có thể chia thành nhiều "phần nhỏ hơn" nữa.

Các "thành phần nhỏ hơn" này đều là "cư dân" của thế giới nguyên tử và có nhiều chủng loại. Ban đầu người ta phát hiện 4 loại: điện tử, quang tử, proton và nơtron. Về sau, người ta lại phát hiện thêm positron (điện tử dương), nơtrino, mezon, siêu tử, variton..., người ta gọi chúng là các hạt cơ bản. Vào năm 1972, Viện nghiên cứu vật lý năng lượng cao của Trung Quốc ở Vân Nam đã đo các tia vũ trụ và phát hiện một hạt nặng mới mang điện là một hyperon. Vào mùa thu năm 1974, một nhà vật lý quốc tịch Mỹ là giáo sư Đinh Triệu Trung cùng các đồng sự đã phát hiện một loại quang tử nặng mới gọi là hạt J. Vào năm 1979, Đinh Triệu Trung và các cộng sự lại phát hiện một loại hạt cơ bản mới là mezon. Theo lý luận và thực nghiệm, các hạt cơ bản như proton, nơtron do tổ hợp các hạt quac và các mezon tạo nên. Vì vậy ngày nay có người cho proton và nơtron không phải là hạt cơ bản. Theo các số liệu thống kê, hiện tại người ta đã phát hiện gần 400 loại hạt cơ bản và đội ngũ các hạt cơ bản ngày càng được tiếp tục phát hiện và bổ sung.

Trong họ hàng các hạt cơ bản, các hạt khác nhau rất nhiều. Ví dụ một hạt nơtrinô hoặc phản nơtrinô chỉ có khối lượng bằng một phần vạn khối lượng của điện tử. Có điều đáng chú ý là khối lượng tĩnh của quang tử (photon) bằng không. Hạt có khối lượng lớn nhất là các siêu tử. Siêu tử có khối lượng lớn gấp 624000 lần khối lượng điện tử. Chỉ có điều thời gian sống của các siêu tử rất ngắn, chỉ vào khoảng 1 phần tỷ của giây. Gia đình họ mezon rất nhiều, có loại mang điện dương, có loại mang điện âm, có loại không mang điện, khối lượng của các mezon trung gian giữa điện tử và proton. Có loại mezon có thể xâm nhập vào hạt nhân nguyên tử khơi mào cho các phản ứng hạt nhân.

Người ta còn phát hiện các hạt cơ bản có thể biến đổi qua lại. Ví dụ với các điện tử và dương điện tử: hai loại hạt này có kích thước như nhau, khối lượng như nhau, mang cùng lượng điện chỉ có khác dấu, một loại mang điện âm, một loại mang điện dương. Khi dương điện tử gặp điện tử sẽ biến thành hai photon. Khi một proton gặp một phản proton sẽ mất điện tích và biến thành phản trung tử không tích điện. Vào tháng 3 năm 1960, nhà vật lý học Trung Quốc Vương Cán Xương trong Hội nghị quốc tế lần thứ IX về vật lý năng lượng cao đã đọc báo cáo về hạt siêu tử là hạt phản sigma tích điện âm (∑). Từ đó có thể thấy các "cư dân" nhỏ bé trong thế giới nguyên tử không phải đứng cô lập mà có liên hệ với nhau, biến hoá lẫn nhau.

Hạt cơ bản có phải là hạt nhỏ nhất, "cơ bản" nhất trong thế giới vật chất không? Thực ra không tồn tại các "hạt cơ bản" không thể chia nhỏ được, người ta thấy càng đi sâu thì càng thấy thế giới các hạt cơ bản là vô cùng, vô tận. Ngày nay người ta đưa ra nhiều lý thuyết liên quan đến các hạt cơ bản. Các nhà vật lý Trung Quốc đưa ra "mô hình lớp hạt", nhà vật lý nổi tiếng Nhật Bản Bản Điền đưa ra "mô hình Bản Điền"…

Cho dù "cư dân" thế giới nguyên tử có nhỏ nhất đến mức nào, nhưng các nhà khoa học đang cố hết sức đi sâu nỗ lực mở ra màn bí mật của các hạt cơ bản.