VÌ SAO LỰC TƯƠNG TÁC YẾU LẠI YẾU?

 

Mở đầu : Vũ trụ của chúng ta không chỉ là một thế giới được chi phối bởi một định luật duy nhất.

nếu chúng ta nhìn về góc độ vĩ mô, chúng ta sẽ thấy các siêu cụm thiên hà nối chặt lại với nhau trong một mạng lưới khổng lồ có hình dạng tương tự như mạng lưới tế bào thần kinh của não.

và ở ngay cạnh chúng ta, là nguyên nhân khiến cho quả táo rơi, đại diện cho cả xuân hạ thu đông, chính là lực hấp dẫn, lực "thống trị" của vũ trụ ở cấp độ vĩ mô.

Tuy nhiên, ở mức độ vi mô, đi xuống những tế bào, đi xuống những phân tử, nguyên tử, các hạt hạ nguyên tử và các hạt cơ bản, thế giới của chúng lại được chi phối bởi những lực hoàn toàn khác, đó là lực điện từ, giúp giữ các liên kết hóa trị với nhau và đồng thời giữ các electron không rời xa hạt nhân nguyên tử.

lực tương tác mạnh, tựa như băng dính, dán các proton và neutron nằm chặt chẽ trong hạt nhân.

và cuối cùng là lực tương tác yếu chính là nguyên nhân đại diện cho sự phân rã của các hạt nhân nguyên tử, từ Carbon-14 đến Uranium-238.

Vậy tổng quan lại, vũ trụ của chúng ta bao gồm 4 lực cơ bản là :

1. Lực tương tác mạnh

2. Lực điện từ

3. Lực tương tác yếu

4. Lực hấp dẫn.

hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu xem nguyên nhân vì sao lực tương tác yếu lại yếu hơn rất nhiều so với các lực khác.

trước hết, nếu chúng ta xét trung bình tất cả cường độ của 4 lực, và quy ước lực tương tác mạnh có độ lớn = 1, thì chúng ta có danh sách như sau.

1. Lực tương tác mạnh ( độ lớn = 1)

2. Lực điện từ (độ lớn = 1/100)

3. Lực tương tác yếu (độ lớn = 10⁻¹³)

4. Lực hấp dẫn. ( độ lớn = 10⁻³⁹)

Đối với lực hấp dẫn thì rất yếu, nên các nhà vật lý hạt chưa bao giờ tìm thấy tương tác hấp dẫn trong các máy gia tốc hạt hiện nay, và các lý thuyết hấp dẫn lượng tử hiện nay vẫn còn dang dỡ thế nên chúng ta sẽ không bàn về lực hấp dẫn trong chủ đề này.

Để hiểu vì sao lực tương tác yếu lại yếu, trước hết chúng ta cần định nghĩa như thế nào là lực.

trong vật lý cổ điển, lực là tác nhân thay đổi trạng thái chuyển động của vật trong trường hợp vật không được giữ lại bởi lực khác, sẽ gây ra gia tốc.

ngoài ra còn có hàng tấn định nghĩa khác về lực, tuy nhiên mình sẽ sử dụng định nghĩa của lực trong khuôn khổ của vật lý hạt.

Trong vật lý hạt, lực được gây ra khi một hạt vật chất bắn ra một hạt truyền lực, và thay đổi trạng thái chuyển động của nó, hạt thứ hai sau đó bắt được hạt truyền lực này, và hấp thụ động lượng của hạt truyền lực, và cũng thay đổi trạng thái chuyển động.

vậy có thể hiểu rằng, khi các hạt tác dụng lực qua nhau, chúng đang tương tác bằng cách trao đổi các hạt truyền tải lực qua không gian, để rồi sau đó các hạt thay đổi động lượng và gia tốc khỏi nhau.

đối với hai electron, chúng tương tác bằng cách trao đổi các photon ảo (virtual photon) và từ đó dần dần rời xa khỏi nhau.

để cho dễ hình dung, hãy hình dung hai người (Bob và Alex) đứng im trên hai chiếc ghe giữa dòng sông.

nếu Bob ném một bao tải nặng qua ghe của Alex, Bob sẽ di chuyển ngược lại, do định luật bảo toàn động lượng.

sau khi Alex chụp lấy bao tải, Alex cũng sẽ di chuyển ra khỏi Bob do Alex hấp thụ động lượng của bao tải.

vì vậy nếu Alex và Bob tiếp tục ném bao tải cho nhau, cả hai cuối cùng sẽ di chuyển ra khỏi nhau.

trong trường hợp của các electron điều tượng tự xảy ra khi hai electron trao đổi các photon ảo.

Tuy nhiên cần chú ý giữa hạt ảo (Virtual particle), và hạt thật (Real particle).

hạt ảo có tính chất khác với hạt thật là chúng có thể có nhiều khối lượng khác nhau, và thời gian sống của chúng là rất ngắn hạn, không thể đo đạc được, tuy nhiên lại mang đặc tính của các hạt thật.

ví dụ như hạt photon ảo, có đặc tính là biến động của trường photon, vì vậy chúng vẫn mang đặc tính là (photon), dù chúng không đủ điều kiện để trở thành photon thật.

các hạt photon ảo có thể mang nhiều khối lượng khác nhau, trái ngược với các photon thật là không hề có khối lượng và không hề phân rã,

và các hạt ảo có thể vi phạm định luật bảo toàn năng lượng do nguyên lý bất định Heisenberg, tuy nhiên mình sẽ bàn về vấn đề năng lượng sau.

Tuy nhiên, khi chúng ta bàn về lực, tương tác dù xảy ra với hạt thật hay là hạt ảo thì hạt truyền tải lực vẫn sẽ quyết định lực nào tác dụng lên các hạt vật chất.

ví dụ, nếu bắn một hạt photon thật mang năng lượng cao đi ngang qua hạt nhân gần đó, hạt photon đó sẽ phân rã thành một cặp hạt gồm một hạt electron và một hạt positron cả hai di chuyển ra hai hướng đối ngược nhau, vậy vẫn có thể nói tương tác điện từ đã xảy ra với cặp hạt đó, dù cho trường hợp này hạt photon lần này là thật đi chăng nữa.

trong đó lực tương tác yếu luôn xảy ra với các hạt thật, và có ba loại hạt đại diện cho lực tương tác yếu là :

W⁺ boson , W⁻boson và Z⁰ boson.

tùy vào loại hạt tham gia tương tác mà sẽ sản xuất ra một trong ba loại hạt này, tuy nhiên vì cả ba loại hạt này đều có chung đặc thù là có khối lượng rất nặng, khoảng 90 Gev, (90 tỷ electron volt) và phân rã rất nhanh là khoảng 10⁻²⁵ giây.

đối với ánh sáng, di chuyển ở vận tốc tối đa trong chân không, thì trong vòng 10⁻²⁵ giây, chỉ đi được một phần nghìn đường kính của một hạt proton thôi.

và hai yếu tố này chính là nguyên nhân khiến cho lực tương tác yếu yếu hơn các lực khác.

vì vậy hãy gộp cả ba hạt này làm một, và gọi nó với một cái tên chung là "Hạt Tương Tác Yếu" cho dễ hình dung các bạn nhé.

để đến bước tiếp theo, chúng ta cần phải bàn về nguyên lý bất định Heisenberg.

I. Nguyên lý bất định Heisenberg :

nguyên lý cho rằng, chúng ta không thể đo đạc chính xác động lượng và vị trí của một hạt, có công thức là :

Δp Δx ≥ ħ/2

với Δp là bất định trong động lượng, Δp càng lớn thì sự bất định càng lớn.

tương tự Δx là bất định của vị trí.

tích của Δx và Δp luôn lớn hơn hoặc bằng ħ/2 , với ħ gọi là hằng số Planck đã giảm hay (Reduced Planck constant).

điều này có nghĩa là nếu bạn có một hàm xác suất của vị trí có sự phân bố càng hội tụ, tức là càng chắc chắn, thì hàm sóng động lượng sẽ được phân bố trên một diện tích rất rộng.

có nghĩa là xác suất tìm thấy động lượng đó sẽ trải rộng ra, gây nên tính bất định rất cao.

sử dụng phép biến đổi Fourier, chúng ta có thể làm cho hàm sóng vị trí hội tụ bằng cách thêm vào thật nhiều hàm sóng động lượng có hình dạng khác nhau, điều này có nghĩa là khi bạn đã có một hàm sóng vị trí có tính hội tụ cao, thì bạn đã mất đi rất nhiều thông tin về động lượng của hạt.

đây chính là cốt lõi của nguyên lý bất định Heisenberg!

bạn càng hội tụ hàm sóng của đại lượng vật lý này, thì bạn cần nhiều hàm sóng trải rộng của đại lượng vật lý kia.

trái ngược với mọi người thường nghĩ đó là nguyên lý bất định Heisenberg liên quan đến đo đạc, thực chất là nó có liên kết mật thiết với các hàm sóng của hạt, trước lúc trạng thái của hạt được đo đạc.

để có một hàm sóng hội tụ, bạn cần nhiều hàm sóng phân bố trên một mạng diện rộng, và nếu bạn chắc chắn về vị trí, sẽ không chắc chắn về động lượng nữa, và ngược lại.

bởi vì trong cơ học lượng tử, một hạt không có trạng thái nhất định nào cho đến khi nó được đo đạc, và sự đo đạc này sẽ khiến cho hàm sóng sụp đổ, và ta ra một kết quả duy nhất, nhưng trước lúc đó, mọi thứ đều là xác suất.

ngoài sự bất biến của động lượng và vị trí Δp Δx ≥ ħ/2 , còn có một phiên bản khác của nguyên lý bất định là

ΔE Δt ≥ ħ/2

với "E" là năng lượng của hạt , và "t" là thời gian, cũng có cùng hằng số là ħ/2.

điều này có nghĩa là khi bạn đo đạc một hạt trong khoảng thời gian ngắn tức là Δt càng nhỏ , thì tính bất định của năng lượng ΔE sẽ càng lớn.

điều này có nghĩa là với những hạt cơ bản có thời gian sống rất ngắn, thì năng lượng của hạt đó không nhất thiết phải bảo toàn.

II. Sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng :

vào năm 1905, nhà vật lý học Albert Einstein công bố thuyết tương đối hẹp cùng phương trình nổi tiếng của mình, E=mc² , với "E" là năng lượng, và "m" là khối lượng, kết nối qua hằng số "c" là vận tốc ánh sáng trong chân không.

điều này có nghĩa là khối lượng là một dạng thước đo của năng lượng, và trước đó chúng ta đã được biết năng lượng mang tính bất định đối với những hạt có đời sống ngắn, khối lượng của hạt cũng sẽ có tính bất định.

điều này có nghĩa là, ngay cả một hạt vốn là phi khối lượng như hạt photon, nếu tham gia vào một tương tác mà chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian siêu nhỏ trước khi phân rã thành một cặp hạt/phản hạt (electron và positron), hạt photon đó có thể có khối lượng, dựa trên nguyên lý bất định.

III. Trò chơi bốc thăm hạt tương tác yếu :

như đầu bài viết đã nói, hạt tương tác yếu có đời sống rất ngắn, với chu kỳ bán rã là khoảng 10⁻²⁵ .

tức là tính bất định trong khối lượng của nó rất cao.

nếu bạn google hạt W boson, bạn sẽ thấy họ nói khối lượng của chúng là 90 tỷ electron volt, tuy nhiên đó chỉ là >khối lượng yêu thích< của nó.

phân bố của hàm xác suất Breit-Wigner

bạn có thể nhìn thấy ở hình bên dưới, có một hàm xác suất hình chuông đại diện cho khối lượng của hạt tương tác yếu, và 90 Gev nằm ở mức peak (đỉnh) của hàm.

tức là tất cả các khối lượng giữa 0 và vô cực đều khả thi, nhưng với xác suất hiếm đến mức kinh khủng, và đó chính là nguyên nhân vì sao lực tương tác yếu lại yếu!

trước hết hãy xét một trường hợp phân rã phóng xạ mà lực tương tác yếu tham gia, đó là phân rã Carbon-14.

Carbon-14 phân rã khi một hạt neutron trong hạt nhân Carbon phân rã thành một W boson với mức năng lượng khoảng 156,000 electron volt sau đó hạt W boson tiếp tục phân rã thành một electron và một hạt antineutrino, sau đó Carbon-14 trở thành hạt nhân Nitơ.

khi trường hợp này xảy ra, hạt neutron phóng ra một hạt tương tác yếu (W hoặc Z) boson, và biến thành hạt proton, do đó tổng số hạt trong hạt nhân không đổi và Carbon-14 do đó trở thành Nitrogen-14.

Có thể bạn đang thắc mắc vì sao lực tương tác mạnh không ngăn chặn được sự tương tác này.

nguyên nhân là bởi vì lực tương tác mạnh hoạt động hơi khác lực điện từ và lực hấp dẫn, đó là yếu dần theo khoảng cách với định luật nghịch đảo bình phương.

lực tương tác mạnh mặc khác khi hai hạt ở gần nhau trong phạm vi, lực tương tác mạnh hút rất dữ dội, nhưng khi tách chúng ra một chút xíu, và lực tương tác mạnh bằng 0, tương tự như băng dính vậy.

khi hai miếng băn dính động vào nhau, chúng dính rất chặt, khi tháo ra thì không còn lực kéo nữa.

vậy nên trong trường hợp của Carbon-14, lực tương tác yếu đã tương tác với một hạt neutron trong Carbon-14, biến nó thành một hạt nhân Nitrogen-14,

trường hợp khác khi một ngôi sao sụp đổ thành ngôi sao neutron, các electron bị dồn ép lại hạt nhân nguyên tử với áp suất cực lớn, lên đến gần 2*10³⁴ PA , với áp lực lớn như thế, electron khi tiến đến gần hạt nhân bắt đầu phân rã thành một hạt W⁻ boson và một hạt anti-neutrino, hạt W⁻ boson này sau đó đâm thẳng vào bên trong hạt proton và biến hạt proton đấy thành neutron.

bởi vì hạt proton được cấu tạo từ hai quark up và một quark down, hạt W⁻ boson biến một hạt quark up trong đó thành một hạt quark down, do đó giờ đây có hai quark down và một quark up, chính là thành phần của hạt neutron.

còn điện tích thì sao? do hạt W⁻ boson, có điện tích là -1, và hạt quark up có điện tích là -1, và hạt quark up có điện tích là 2/3, do đó trong quá trình tương tác, các điện tích cộng dồn cho ra -1/3 , chính là điện tích của quark down.

do đó bạn có thể thấy điện tích bảo toàn trong trường hợp này, và ta có thể thấy, lực tương tác yếu đã chiến thắng lực tương tác mạnh trong trường hợp này, tức là lực tương tác yếu không hề yếu mà ngang hàng với lực điện từ và lực tương tác mạnh , một khi nó chịu tương tác.

nhưng vấn đề là khi nào nó chịu tương tác!

khi nào nó được kích hoạt?

Hóa ra câu trả lời chính là ví dụ khi nãy, đó là bởi vì, để Carbon-14 phân rã, dựa trên khối lượng của hạt neutron, thì hạt tương tác yếu tạo thành chỉ được phép mang khối lượng khoảng 156,000 electron volt.

mà xác suất để tạo ra hạt tương tác yếu có khối lượng nhỏ như thế này là cực kỳ gần sát giá trị 0 tuyệt đối.

bởi vì xác suất tìm thấy hạt tương tác yếu giảm đi rất nhanh.

với hạt tương tác yếu có khối lượng bằng 88.5 Gev tức là lệch khỏi mức peak một chút, thì xác suất là 20%.

với hạt có khối lượng bằng 76 Gev, thì xác suất chỉ còn có 1%.

điều này có nghĩa là với hạt tương tác yếu có khối lượng khoảng 156,000 electron volt, tức là khoảng 0.0002 Gev, thì xác suất là cực cực cực kỳ điên rồ HIẾM!!

hiếm đến mức dường như không bao giờ xảy ra, và nếu nó không bao giờ xảy ra, thì phân rã sẽ không xảy ra vì lực tương tác mạnh luôn luôn hoạt động để giữ các hạt proton và neutron lại với nhau.

Vậy tóm tắt lại, lý do lực tương tác yếu lại yếu đến như vậy, là bởi vì nó không được kích hoạt cho đến khi một hạt tương tác yếu có khối lượng khoảng 0.0002 Gev được tạo ra.

và khi nó được tạo ra, lực tương tác yếu sẽ hoạt động, và phân rã sẽ xảy ra.

nhưng chú ý rằng khi phân rã xảy ra, hạt đầu vào chính là thành tố quyết định nên khối lượng của hạt tương tác yếu, vì vậy không phải trường hợp phân rã nào hạt tương tác yếu cũng phải là 0.0002 Gev.

IV. Phân rã của Quark Top.

Quark top là hạt nặng nhất trong danh sách các hạt cơ bản của mô hình chuẩn (Standard Model), với khối lượng trung bình là khoảng 172 Gev.

Quark top phân rã bằng cách phóng ra một hạt W⁺ boson, sau đó biến thành hạt Quark bottom.

hóa ra, vì quark top đủ nặng, nên hạt W⁺ boson được phân rã có khối lượng khoảng 90 Gev, chính là ở mức trung bình, tức là ta có thể nói phân rã của quark top thông qua lực tương tác yếu là thường xuyên xảy ra.

và thật ra hạt quark top phân rã nhanh đến nổi, sự tương tác yếu đã xảy ra trước, trước khi hạt quark top có thể cảm nhận được lực tương tác mạnh hay lực điện từ.

vì vậy trong khuôn khổ này, lực tương tác yếu là lại là lực mạnh nhất.

thế nhưng trong vật lí hạt nhân, nơi mà khối lượng của hạt tương tác yếu yêu cầu phải là khoảng 0.0002 Gev, xác suất tạo ra hạt này hiếm đến mức độ, lực tương tác yếu dường như không hề hoạt động, và trong khuôn khổ này, lực tương tác yếu rất yếu dẫn đến việc Carbon-14 có chu kỳ bán rã lên đến 5730 năm trong khi với hạt Quark top thì chu kỳ bán rã là 5*10⁻²⁵ giây.

Vậy tóm lại, nguyên nhân khiến lực tương tác yếu yếu hơn lực điện từ và lực tương tác mạnh, là bởi vì nó sẽ không được kích hoạt cho đến khi một hạt tương tác yếu với xác suất rất hiếm được tạo ra, mà vốn được quyết định bởi năng lượng do E=mc² và nguyên lí bất định Heisenberg ΔE Δt ≥ ħ/2.

Và trong ranh giới của Quark top, thì lực tương tác yếu không hề YẾU sau tất cả, nó là lực mạnh nhất.

còn trong ranh giới của phân rã phóng xạ, nơi mà có mức năng lượng nhỏ hơn nhiều so với ranh giới của Quark top thì lực tương tác yếu lại rất yếu, bởi vì nó không thể kích hoạt cho đến khi trúng được lá thăm là hạt W⁺ boson với khối lượng là 0.0002 Gev.

Ngoài những đặc điểm này ra, lực tương tác yếu còn mang trong mình một khả năng khác đó là "thay đổi định dạng" của hạt tham gia tương tác.

Ví dụ, khi hạt Quark top bắn ra một hạt W⁺ boson, nó phân rã thành hạt Quark bottom, và hạt Quark bottom này chính là định dạng khác của hạt Quark top với khối lượng thấp hơn.

tương tự như vậy, hạt Quark bottom có thể tiếp tục bắn ra hạt W⁻boson sau đó biến thành hạt Quark charm với khối lượng thấp hơn nữa.

tương tự như vậy, khi hạt Neutrino tau phân rã thành hạt tương tác yếu, nó sẽ biến thành Neutrino muon.

có tất cả ba loại định dạng cho Neutrino là Neutrino electron, Neutrino muon và Neutrino tau.

với Neutrino electron là nhẹ nhất và Neutrino tau là nặng nhất.

Hy vọng bài viết này sẽ giúp các đọc giả sáng tỏa và hiểu thêm một chút về sự kỳ thú của vật lí hạt (Particle Physics), khi mà mọi đại lượng vật lí bao gồm cả năng lượng đều được chi phối bởi quy luật xác suất, và lý do chúng ta gọi một lực yếu có thể bao gồm cả cường độ của lực, hoặc là xác suất tạo ra hạt truyền lực quyết định bởi năng lượng của hạt tham gia tương tác.

nếu các bạn thích bài viết của mình, đừng quên bài tỏa cảm xúc dưới phần bình luận nhé!

Cảm ơn các bạn đã đọc!

Tác giả : Quach Minh Dang