Quark và Lepton

Quark và lepton là hai họ fermion cơ bản spin-1/2 cấu thành nên tất cả vật chất đã biết trong Mô hình Chuẩn.

Definition

Quark và lepton là các fermion cơ bản spin-1/2 của Mô hình Chuẩn; quark (up, down, charm, strange, top, bottom) mang điện tích màu và kết hợp thành hadron, trong khi lepton (electron, muon, tau và các neutrino của chúng) không mang màu và chỉ tương tác thông qua lực điện yếu.

Scope

Chủ đề này bao gồm sáu quark và sáu lepton, sự sắp xếp của chúng thành ba thế hệ, và các số lượng tử phân biệt chúng: điện tích, màu, isospin yếu và hương. Nó đề cập đến sự phân biệt giữa quark, mang màu và bị giam giữ bên trong hadron, và lepton, không màu và có thể tồn tại dưới dạng hạt tự do, cùng với các phản hạt của chúng và mô hình thực nghiệm về khối lượng fermion.

Core questions

• Tại sao quark và lepton lại tồn tại chính xác ba thế hệ với khối lượng tăng dần?
• Những số lượng tử nào phân biệt các quark và lepton khác nhau?
• Tại sao quark bị giam giữ bên trong hadron trong khi lepton tồn tại tự do?
• Các tương tác yếu làm thay đổi hương trộn lẫn các thế hệ quark như thế nào?

Key concepts

• Sáu hương quark và điện tích phân số
• Lepton tích điện và neutrino
• Ba thế hệ fermion
• Điện tích màu và sự giam giữ quark
• Các cặp isospin yếu
• Phản quark và phản lepton

Key theories

Mô hình quark của hadron

Gell-Mann và Zweig đề xuất rằng hadron được cấu tạo từ các quark mang điện tích phân số, với baryon được tạo thành từ ba quark và meson từ một cặp quark-phản quark, giải thích phổ các hạt tương tác mạnh được quan sát.

Cấu trúc hương ba thế hệ

Các quark và lepton lặp lại trong ba thế hệ với các tương tác chuẩn giống hệt nhau nhưng khối lượng khác nhau, và các thế hệ quark trộn lẫn thông qua ma trận Cabibbo-Kobayashi-Maskawa trong các quá trình yếu dòng điện tích.

Clinical relevance

Các tính chất của quark và lepton tạo nên các khối xây dựng cho mọi vật chất nguyên tử, chi phối thành phần của proton và neutron, và được đo đạc với độ chính xác cao trong các thí nghiệm va chạm và bia cố định nhằm kiểm tra Mô hình Chuẩn và tìm kiếm các thế hệ hoặc cấu trúc phụ mới.

History

Mô hình quark được Gell-Mann và Zweig giới thiệu độc lập vào năm 1964 để sắp xếp số lượng hadron ngày càng tăng, và các thí nghiệm tán xạ không đàn hồi sâu tại SLAC vào cuối những năm 1960 đã tiết lộ các thành phần giống điểm bên trong proton. Họ lepton được mở rộng nhờ việc phát hiện ra muon, tau và các neutrino liên quan của chúng, trong khi các quark charm, bottom và top đã hoàn thành cấu trúc ba thế hệ vào năm 1995.

Key figures

• Murray Gell-Mann
• George Zweig
• Makoto Kobayashi
• Toshihide Maskawa

Seminal works

• gellmann1964
• halzenmartin1984

Frequently asked questions

Tại sao quark tự do chưa bao giờ được quan sát?

Quark bị giam giữ bởi tương tác mạnh: năng lượng cần thiết để tách chúng tăng theo khoảng cách, do đó việc kéo các quark ra xa nhau tạo ra các cặp quark-phản quark mới thay vì các quark tự do riêng lẻ.

Có bao nhiêu thế hệ quark và lepton?

Ba thế hệ đã được biết đến. Các phép đo độ rộng phân rã của boson Z giới hạn số lượng loài neutrino nhẹ là ba, phù hợp với chính xác ba thế hệ fermion thông thường.