Ứng Dụng Cơ Học Lượng Tử Để Giải Các Bài Toán Hạt Cơ Bản

Khám phá ứng dụng cơ học lượng tử trong việc giải quyết các bài toán hạt cơ bản, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu vật lý hiện đại.

• Tác giả: Huỳnh Thị Mỵ Châu
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Thị Hồng Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Quảng Nam
• Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý
• Đề tài: Ứng Dụng Cơ Học Lượng Tử Giải Các Bài Toán Hạt Cơ Bản
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Quảng Nam

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HẠT CƠ BẢN VÀ SỰ CẤU TẠO NÊN VẬT CHẤT
• 1.1. Các hạt cơ bản có trong vật chất
• 1.2. Họ các hạt cơ bản
• 1.3. Hạt Higgs
• 1.4. Các tương tác cơ bản
• 1.4.1. Tương tác hấp dẫn
• 1.4.2. Tương tác điện từ
• 1.4.3. Tương tác yếu
• 1.4.4. Tương tác mạnh
• 1.5. Đặc trưng của các hạt cơ bản và các định luật bảo toàn
• 1.5.1. Các đặc trưng quen thuộc
• 1.5.2. Các đặc trưng riêng - các định luật bảo toàn
• 1.5.2.1. Định luật bảo toàn số lepton
• 1.5.2.2. Định luật bảo toàn tích barion (hay số barion)
• 1.5.2.3. Định luật bảo toàn spin đồng vị
• 1.6. Kết luận chương I
• 2. CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ TRONG CÁC HẠT CƠ BẢN
• 2.1. Sự khác biệt về khái niệm chuyển động của hạt trong cơ học lượng tử và cơ học cổ điển
• 2.2. Cơ sở của cơ học lượng tử
• 2.3. Tính chất sóng của các hạt vật chất - Giả thuyết De - Broglie
• 2.4. Nguyên lý bất định Heisenberg
• 2.5. Hàm sóng của hạt vi mô
• 2.6. Hàm sóng của hạt tự do
• 2.7. Hàm sóng của hạt chuyển động trong trường lực
• 2.8. Sự chuẩn hóa hàm sóng
• 2.9. Tính thống kê của hàm sóng
• 2.10. Hàm riêng, trị riêng và phương trình trị riêng của toán tử
• 2.11. Các toán tử thường gặp trong vật lí hạt cơ bản
• 2.12. Phương trình Schrodinger
• 2.12.1. Phương trình Schrodinger dạng phụ thuộc thời gian
• 2.12.2. Phương trình Schrodinger dạng dừng
• 2.13. Nguyên lý loại trừ Pauli
• 2.14. Lượng tử số
• 2.14.1. Số lượng tử chính (n)
• 2.14.2. Số lượng tử quỹ đạo (l)
• 2.14.3. Số lượng tử từ (m)
• 2.14.4. Số lượng tử từ riêng (ms)
• 2.15. Trạng thái đối xứng và phản đối xứng
• 2.16. Kết luận chương II
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CƠ HỌC LƯỢNG TỬ GIẢI BÀI TẬP VỀ CÁC HẠT CƠ BẢN
• 3.1. Tương tác cơ bản - các định luật bảo toàn
• 3.2. Tương tác yếu, điện từ và spin của hạt cơ bản
• 3.3. Cấu trúc Hadron - mô hình Quack
• 3.4. Kết luận chương III
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Cơ Học Lượng Tử Hạt Cơ Bản Giới Thiệu

Vào cuối thế kỷ XIX, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng nguyên tử không phải là hạt nhỏ nhất mà còn được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn, không thể phân chia, gọi là hạt cơ bản. Vật lý nguyên tử-hạt nhân cho biết proton, neutron và electron là các hạt vi mô cấu thành nguyên tử. Tuy nhiên, đầu thế kỷ XX, khi nghiên cứu tia vũ trụ, người ta tìm thấy các hạt khác như mêzôn K, mêzôn π, mêzôn µ. Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã cho thấy vũ trụ không chỉ gồm vài hạt mà số lượng các hạt vi mô ngày càng nhiều. Các lý thuyết cổ điển gặp bế tắc trong việc giải thích các hiện tượng và quy luật chuyển động của các hạt này. Từ đó, khái niệm lượng tử ra đời và cơ học lượng tử (CHLT) hình thành. Sự ra đời của CHLT là nền tảng để giải thích tính chất, cấu trúc nguyên tử, tương tác và đặc trưng của trạng thái vật chất. Khóa luận "Ứng dụng cơ học lượng tử giải các bài toán hạt cơ bản" sẽ đi sâu vào vấn đề này.

1.1. Các Hạt Cơ Bản Cấu Tạo Vật Chất Khám Phá Chung

Các hạt cơ bản là những thực thể vi mô tồn tại như những hạt nguyên vẹn, đơn nhất, có kích thước vô cùng nhỏ và không thể tách ra thành các thành phần nhỏ hơn. Hạt nhân nguyên tử gồm proton p và neutron n; lớp vỏ nguyên tử gồm electron e. Trong phân rã β ta thấy neutrino  đi kèm electron. Proton p, neutron n, electron e, neutrino  là những hạt cơ bản, thành phần cơ bản của vật chất tạo nên các thiên thể trong vũ trụ. Lượng tử ánh sáng cũng là hạt cơ bản. Các hạt này rất bền so với tuổi thiên hà. Theo tài liệu, thời gian sống của electron e  10^22 năm, proton p  10^22 năm, so với tuổi thiên hà 10^12 năm. Neutron tự do có thời gian sống n  10^3 năm, nhưng trong hạt nhân thì bền như proton.

1.2. Phân Loại Các Họ Hạt Cơ Bản Leptons Mesons Baryons

Dựa vào khối lượng nghỉ và spin, người ta phân các hạt cơ bản thành các họ: photon, lepton, meson, barion. Photon  (và phản hạt) có khối lượng nghỉ bằng 0 và spin bằng 1. Lepton gồm electron e, muon , tau , ba neutrino  tương ứng và sáu phản hạt của chúng, có spin bằng 1/2, là fermion, khối lượng điển hình là khối lượng electron me. Meson có khối lượng cỡ hàng trăm lần khối lượng electron, gồm meson , meson K, meson , hạt 0 và phản hạt của chúng, có spin bằng không, là boson. Barion gồm nucleon và hyperon (và các phản hạt), có spin bằng 1/2 hoặc 3/2, khối lượng vào cỡ hàng nghìn lần khối lượng electron.

II. Thách Thức Khi Nghiên Cứu Hạt Cơ Bản Vấn Đề Tồn Đọng

Nghiên cứu hạt cơ bản đối mặt với nhiều thách thức. Thứ nhất, kích thước của chúng vô cùng nhỏ, đòi hỏi các thiết bị đo lường và quan sát cực kỳ hiện đại và chính xác. Thứ hai, thời gian sống của nhiều hạt cơ bản rất ngắn, gây khó khăn cho việc nghiên cứu các tính chất của chúng. Thứ ba, sự tương tác giữa các hạt cơ bản diễn ra ở mức năng lượng rất cao, đòi hỏi các thí nghiệm phức tạp và tốn kém. Thứ tư, việc giải thích các hiện tượng và quy luật chuyển động của hạt cơ bản đòi hỏi một lý thuyết thống nhất, có khả năng kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối.

2.1. Giới Hạn Của Các Mô Hình Cổ Điển Vì Sao Cần Cơ Học Lượng Tử

Các mô hình cổ điển không thể giải thích các hiện tượng và quy luật chuyển động của hạt cơ bản. Chẳng hạn, mô hình nguyên tử Rutherford không thể giải thích sự ổn định của nguyên tử và sự tồn tại của các vạch quang phổ. Thuyết tương đối hẹp không thể giải thích sự tồn tại của các hạt cơ bản có khối lượng nghỉ bằng không. Vì vậy, cần có cơ học lượng tử để giải thích các hiện tượng và quy luật chuyển động của hạt cơ bản.

2.2. Sai Số Tính Bất Định Vượt Qua Rào Cản Trong Thí Nghiệm

Các thí nghiệm nghiên cứu hạt cơ bản thường gặp phải sai số và tính bất định. Sai số có thể do các thiết bị đo lường không chính xác hoặc do các yếu tố môi trường gây ra. Tính bất định là một đặc tính cơ bản của cơ học lượng tử, theo đó không thể xác định đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt. Điều này gây khó khăn cho việc nghiên cứu các tính chất của hạt cơ bản.

III. Cơ Học Lượng Tử Phương Pháp Giải Các Bài Toán Hạt Cơ Bản

Cơ học lượng tử cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ để giải các bài toán hạt cơ bản. Các công cụ này bao gồm: phương trình Schrödinger, nguyên lý bất định Heisenberg, hàm sóng và các toán tử. Phương trình Schrödinger mô tả sự tiến triển theo thời gian của trạng thái lượng tử của một hệ. Nguyên lý bất định Heisenberg cho biết không thể xác định đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt. Hàm sóng mô tả trạng thái lượng tử của một hạt. Các toán tử đại diện cho các đại lượng vật lý như năng lượng, động lượng, momen động lượng.

3.1. Phương Trình Schrödinger Nền Tảng Mô Tả Trạng Thái Hạt Lượng Tử

Phương trình Schrödinger là phương trình cơ bản của cơ học lượng tử, mô tả sự tiến triển theo thời gian của trạng thái lượng tử của một hệ. Có hai dạng phương trình Schrödinger: phương trình Schrödinger phụ thuộc thời gian và phương trình Schrödinger độc lập thời gian. Phương trình Schrödinger phụ thuộc thời gian mô tả sự tiến triển theo thời gian của trạng thái lượng tử của một hệ bất kỳ. Phương trình Schrödinger độc lập thời gian mô tả trạng thái dừng của một hệ, tức là trạng thái không thay đổi theo thời gian.

3.2. Nguyên Lý Bất Định Heisenberg Ràng Buộc Trong Đo Lường Hạt Vi Mô

Nguyên lý bất định Heisenberg là một nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử, cho biết không thể xác định đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt. Độ bất định về vị trí và vận tốc của một hạt thỏa mãn hệ thức: ΔxΔp ≥ ħ/2, trong đó Δx là độ bất định về vị trí, Δp là độ bất định về vận tốc, ħ là hằng số Planck rút gọn. Nguyên lý bất định Heisenberg có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu các hạt cơ bản, vì nó cho thấy rằng không thể quan sát các hạt cơ bản một cách chính xác.

IV. Ứng Dụng Cơ Học Lượng Tử Tính Toán Tương Tác Hạt Cơ Bản

Cơ học lượng tử được ứng dụng rộng rãi trong việc tính toán tương tác giữa các hạt cơ bản. Ví dụ, lý thuyết trường lượng tử sử dụng cơ học lượng tử để mô tả tương tác giữa các hạt cơ bản thông qua việc trao đổi các hạt truyền tương tác. Các phương pháp tính toán như phương pháp Monte Carlo lượng tử cũng được sử dụng để tính toán các tính chất của các hệ nhiều hạt.

4.1. Lý Thuyết Trường Lượng Tử Mô Tả Chi Tiết Tương Tác Mạnh Yếu

Lý thuyết trường lượng tử (QFT) là một khung lý thuyết kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp để mô tả các trường lượng tử, tức là các trường mà các hạt là kích thích. QFT được sử dụng để mô tả tương tác giữa các hạt cơ bản thông qua việc trao đổi các hạt truyền tương tác. Ví dụ, lý thuyết điện động lực học lượng tử (QED) mô tả tương tác điện từ, lý thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD) mô tả tương tác mạnh, lý thuyết điện yếu mô tả tương tác yếu.

4.2. Phương Pháp Monte Carlo Lượng Tử Mô Phỏng Hệ Nhiều Hạt

Phương pháp Monte Carlo lượng tử (QMC) là một phương pháp tính toán sử dụng các thuật toán Monte Carlo để giải các bài toán cơ học lượng tử. QMC được sử dụng để tính toán các tính chất của các hệ nhiều hạt, chẳng hạn như năng lượng liên kết, cấu trúc điện tử, phổ hấp thụ và phổ phát xạ. QMC là một phương pháp mạnh mẽ để nghiên cứu các hệ phức tạp mà các phương pháp giải tích không thể áp dụng được.

V. Cơ Học Lượng Tử Mô Hình Chuẩn Giải Mã Vũ Trụ Hạt

Mô hình chuẩn là một lý thuyết mô tả các hạt cơ bản và các tương tác cơ bản. Mô hình chuẩn được xây dựng dựa trên cơ học lượng tử và lý thuyết trường lượng tử. Mô hình chuẩn đã thành công trong việc giải thích nhiều hiện tượng vật lý, nhưng vẫn còn một số câu hỏi chưa được giải đáp, chẳng hạn như nguồn gốc của khối lượng, sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối.

5.1. Vai Trò Của Cơ Học Lượng Tử Trong Việc Xây Dựng Mô Hình Chuẩn

Cơ học lượng tử đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng Mô hình chuẩn. Nó cung cấp nền tảng lý thuyết để mô tả các tính chất của hạt cơ bản, cũng như các tương tác giữa chúng. Các khái niệm như spin, điện tích, màu sắc và hương vị đều có nguồn gốc từ cơ học lượng tử, và là những thành phần không thể thiếu của Mô hình chuẩn.

5.2. Những Vấn Đề Chưa Giải Quyết Của Mô Hình Chuẩn Hướng Đi Mới

Mặc dù thành công, Mô hình chuẩn vẫn chưa hoàn thiện. Nó không giải thích được khối lượng của neutrino, sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối, cũng như sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Các hướng đi mới trong vật lý hạt bao gồm tìm kiếm các hạt mới, khám phá các tương tác mới và xây dựng các lý thuyết vượt ra ngoài Mô hình chuẩn, chẳng hạn như lý thuyết siêu đối xứng và lý thuyết dây.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu Hạt Cơ Bản Hướng Đi Mới Với Lượng Tử

Nghiên cứu hạt cơ bản tiếp tục là một lĩnh vực quan trọng và đầy hứa hẹn trong vật lý học hiện đại. Với sự phát triển của các công nghệ mới như máy gia tốc hạt mạnh hơn và các phương pháp tính toán tiên tiến, các nhà khoa học hy vọng sẽ khám phá ra những bí ẩn sâu sắc hơn về vũ trụ và cơ học lượng tử, khám phá sự tương tác giữa thông tin lượng tử, máy tính lượng tử và vật lý hạt.

6.1. Ứng Dụng Máy Tính Lượng Tử Trong Mô Phỏng Hạt

Máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ cách mạng hóa việc mô phỏng các hệ hạt phức tạp. Khả năng xử lý song song và tận dụng sự vướng víu lượng tử giúp chúng giải quyết các bài toán mà máy tính cổ điển không thể. Ví dụ, mô phỏng chính xác cấu trúc điện tử của phân tử hoặc các phản ứng hạt nhân phức tạp sẽ trở nên khả thi hơn.

6.2. Nghiên Cứu Thông Tin Lượng Tử Vật Lý Hạt Cơ Bản

Có sự liên kết sâu sắc giữa thông tin lượng tử và vật lý hạt cơ bản. Sự vướng víu lượng tử, một hiện tượng then chốt trong thông tin lượng tử, cũng đóng vai trò quan trọng trong các tương tác giữa hạt. Nghiên cứu mối quan hệ này có thể dẫn đến những đột phá trong cả hai lĩnh vực, chẳng hạn như phát triển các giao thức truyền thông tin an toàn hơn hoặc hiểu rõ hơn về bản chất của vật chất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HẠT CƠ BẢN VÀ SỰ CẤU TẠO NÊN VẬT CHẤT 1. Các hạt cơ bản có trong vật chất Các hạt cơ bản là những thực thể vi mô tồn tại như những hạt nguyên vẹn, đơn nhất có kích thước vô cùng nhỏ và không thể tách ra thành các thành phần nhỏ hơn. Chúng ta đã biết hạt nhân nguyên tử gồm các hạt proton p và các hạt neutron n; lớp vỏ nguyên tử gồm các hạt electron e.

Trong phân rã β ta còn thấy các hạt neutrino  đi kèm với electron. Các hạt proton p, neutron n, electron e, neutrino  là những hạt cơ bản, các hạt này là thành phần cơ bản của vật chất tạo nên các thiên thể trong vũ trụ. Ngoài ra lượng tử ánh sáng cũng là các hạt cơ bản. Tất cả các hạt cơ bản nói trên sống rất bền so với tuổi thiên hà (thời gian sống của electron  e  1022 năm, thời gian sống của proton  p  1022 năm, so với tuổi của thiên hà 1012 năm) 1.

Riêng neutron ở trạng thái tự do có thời gian sống  n  103 năm. Tuy nhiên trong hạt nhân, neutron bền không kém proton. Proton và neutrino là những hạt bền không tự phân rã. Ngoài các hạt trên đến nay, người ta đã phát hiện được và trăm hạt khác không bền có thời gian sống vào cỡ 1024  106 s.

Đa số các hạt này ngắn hơn 1020 s là các hạt cộng hưởng, chúng là các hạt bền. Các hạt cơ bản có một đặc điểm chung là những hạt cùng loại hoàn toàn giống nhau không thể phân biệt được, chúng giữ nguyên các đặc điểm của mình từ lúc sinh ra cho đến lúc tự phân rã hay biến đi trong quá trình tương tác với các hạt khác. Trong quá trình tương tác khi có đủ điều kiện các hạt mới được sinh ra đó cũng là những hạt cơ bản chứ không phải là thành phần của các hạt ban đầu. Họ các hạt cơ bản Dựa vào khối lượng nghỉ và spin người ta phân các hạt cơ bản thành các họ hạt - Hạt photon  (và phản hạt ) là hạt có khối lượng nghỉ bằng 0 và spin bằng 1.

3 - Họ các hạt lepton gồm electron e, muon  , tau  , ba hạt neutrino  tương ứng và sáu phản hạt của chúng. Spin của các lepton đều bằng 1/2 , chúng là những hạt fecmion. Khối lượng điển hình là khối lượng của các electron me. - Họ các hạt meson có khối lượng cỡ hàng trăm lần khối lượng electron gồm meson  , meson K, meson  , hạt  0 và phản hạt của chúng.

Spin của các meson bằng không chúng là những hạt boson. Khối lượng của các hạt này lớn gấp trăm lần khối lượng electron. - Họ các hạt barion gồm các hạt nucleon và các hạt hyperon (và các phản hạt của chúng). Spin của các hạt barion bằng 1/2 hoặc 3/2.

Khối lượng của các này vào cỡ hàng nghìn lần khối lượng của electron. Kí Điện Khối lượng Thời gian sống Họ Tên các hạt hiệu tích(e)  MeV c 2 (s) Lepton Electron e -1 0,511 Bền Muon  -1 106 0, 2  106 Tau  -1 1777 3  1013 Neutrino electron e 0 0 Bền Neutrino muon  0 0 Bền Hạt Photon  0 0 truyền Gluon Ga 0 0 tương W W +1 80000 tác W W -1 80000 Z Z 0 91000 Barion Proton p +1 938 Bền Neutron n 0 940 887 Xích–ma dương  +1 1189 8 1011 Xích – ma trung  0 -1 1193 7 1020 hòa Lamda trung hòa  0 1116 3 1010 Meson Pion dương  +1 140 2. Hạt Higgs Hạt Higgs hay boson Higgs là một hạt cơ bản trong mô hình chuẩn của ngành vật lý hạt và là một trong những loại hạt boson. Ngày 4 tháng 7 năm 2012, các nhà vật lý học tại Tổ chức Nghiên cứu Nguyên tử Châu Âu (CERN) đã nhận ra sự tồn tại của một hạt có những đặc tính "thích hợp với boson Higgs".

Tuy nhiên, các nhà khoa học hạt cần phải xác nhận rằng sự quan sát này do boson Higgs thay vì một boson chưa được khám phá. Trong vài thập kỷ qua, ngành vật lý hạt đã xây dựng được một lý thuyết mô hình chuẩn, tạo nên khuôn khổ về sự hiểu biết các hạt và tương tác cơ bản trong tự nhiên. Một trong những thành phần cơ bản của mô hình này là trường lượng tử giả thiết phổ biến, chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho các hạt. Trường này có tên gọi là trường Higgs.

Nó là hệ quả của lưỡng tính sóng - hạt trong cơ học lượng tử, và tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm. Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs. Hạt Higgs còn được gọi là hạt mắc dịch, hạt bị nguyền rủa (Goddamn particle), vì tầm quan trọng của nó trong vụ nổ Big Bang cách đây 13,7 tỷ năm và vì suốt một thời gian dài các nhà khoa học vật lộn với các thí nghiệm nhưng vẫn không tìm ra nó. Trường Higgs chịu trách nhiệm về khối lượng, việc các hạt cơ bản có khối lượng được nhiều nhà vật lý coi như một dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của trường Higgs.

Ngày 4 tháng 7 năm 2012, Fabiola Gianotti và Joseph Incandela, phát ngôn viên cho hai đội thí nghiệm độc lập ATLAS và CMS trình bày kết quả thực nghiệm của họ về boson Higgs tại máy gia tốc hạt lớn 5 (LHC). Họ xác nhận mức tin cậy "năm sigma" của bằng chứng về một hạt có đặc tính "tương đồng với boson Higgs", và họ thừa nhận rằng công việc tiếp theo là cần thiết để kết luận rằng nó có mọi đặc tính mà lý thuyết đã tiên đoán về boson Higgs. Các tương tác cơ bản Ta đã coi các hạt cơ bản là những thành phần nhỏ nhất của vật chất tạo nên vũ trụ. Một câu hỏi đặt ra là các hạt đó tương tác với nhau như thế nào để tạo nên cấu trúc vật chất, tạo nên vũ trụ.

Ta đã biết rằng trong tự nhiên có bốn loại tương tác và đó là những tương tác cơ bản đối với các hạt cơ bản. Đó là tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác yếu và tương tác mạnh. Dựa vào đặc điểm tham gia tương tác của các hạt và phân các hạt thành hai nhóm cơ bản  4. - Các hạt lepton chỉ tham gia tương tác yếu.

- Các hạt hadron (gồm các hạt meson và barion) có thể tham gia tương tác yếu và tương tác mạnh. Tương tác hấp dẫn Tương tác hấp dẫn được mô tả bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Như vậy tương tác hấp dẫn được chung cho tất cả các hạt cơ bản, hằng số hấp dẫn là GN. Để so sánh với các tương tác khác người ta đưa vào đại lượng không thứ nguyên GN M 2 / c  0,53.1038 , so với các tương tác khác thì tương tác hấp dẫn là rất nhỏ có thể bỏ qua được.

Tuy nhiên, hiệu ứng lượng tử của nó thể hiện khi thế năng hấp dẫn của hệ so sánh được với năng lượng toàn phần của hệ. Trong vật lí các hạt cơ bản, người ta quan tâm đến năng lượng của hạt khi xuất hiện hiệu ứng này. Năng lượng này vào cỡ Mc 2  1019 MeV tức là ứng với khối lượng của một hạt lớn gấp 105 lần khối lượng của hạt vi mô nặng nhất theo lý thuyết tính toán. Vì thế trong vật lí các hạt cơ bản người ta thường bỏ qua hiệu ứng hấp dẫn.

Cơ chế tương tác hấp dẫn là sự trao đổi hạt truyền tương tác graviton (còn gọi là lượng tử của trường hấp dẫn) giữa các hạt. Vì bán kính tác dụng tương tác hấp dẫn của các hạt là vô tận nên khối lượng của hạt truyền tương tác graviton 6 bằng không. Mặc dù thực nghiệm chua phát hiện được hạt graviton nhưng lý thuyết người công nhận sự tồn tại của hạt này. Tương tác hấp dẫn tuy có cường độ vô cùng nhỏ nhưng lại đóng vai trò rất quan trọng trong thế giới siêu vĩ mô.

Chính nhờ lực hấp dẫn tương tác giữa các thiên thể mà vũ trụ chúng ta được sắp xếp như hiện nay. Tương tác điện từ Tương tác điện từ là tương tác giữa các hạt mang điện. Các hạt cơ bản mang điện có điện tích bằng điện tích của electron –e hoặc bằng điện tích của positron +e. Các hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, trái dấu hút nhau.

Cơ chế tương tác điện từ là sự trao đổi hạt truyền photon giữa các hạt mang điện giống như tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ có bán kính tác dụng vô hạn nên hạt truyền photon có khối lượng nghỉ bằng không. Cường độ tương tác giữa hạt mang điện và photon đặc trưng bởi hằng số tương tác điện từ không thứ nguyên e2 1   1. c 1370360 Tương tác điện từ có bán kính tác dụng vô hạn như tương tác hấp dẫn nhưng tương tác điện từ lại có vai trò chủ yếu trong đời sống hằng ngày của chúng ta, các lực thường gặp đều có bản chất là tương tác điện từ chẳng hạn sức căng, lực ma sát,… 1. Tương tác yếu Tương tác yếu được phát hiện từ những năm cuối thế kỉ XIX trong hiện tượng phân rã  .

Đó là quá trình phân rã của các hạt nucleon n  p  e  e (1.1) cho thấy tại một thời điểm, hạt neutron tự phân rã và có ba hạt mới xuất hiện là proton, electron e  và phản neutrino  e. Theo lí thuyết Fecmi thì quá trình trên là quá trình tương tác giữa hai dòng mang điện là dòng neutron – electron (n e ) mang điện âm và dòng proton – neutron (p e ) mang điện dương. Lí thuyết này là lý thuyết dòng – dòng là phổ biến cho mọi quá trình tương tác yếu. Tương tác yếu được đặc trưng bằng hằng số tương tác Fecmi 7 GF 1, 03.

Để so sánh với các tương tác khác, người ta dùng hằng số không 2 M2 thứ nguyên  Mc /  . 2 Các quá trình tương tác yếu được phân ra thành ba quá trình. - Thuần lepton chỉ có các hạt lepton tham gia   e e   (1.4) - Lepton – hadron có cả hạt lepton và hạt hadron cùng tham gia n   p (1.6) trong đó p, n là các hadron - Thuần hadron chỉ có các hạt hadron tham gia K      0 ,       ,    0 0 (1.