5.9 Họ quark

Trang chủ ／ Chương 5: Hạt vi mô

Tóm tắt một câu:
Trong cách trực quan của Lý thuyết Sợi Năng lượng (EFT), quark không phải là một “điểm” mà là một đơn vị chưa khép kín gồm lõi sợi nhỏ cộng với kênh màu bên ngoài; chỉ các tổ hợp trung hoà màu mới bền vững lâu dài, vì thế không thể tách riêng quark ở quy mô vĩ mô.

I. Bức tranh vật lý tối thiểu: lõi sợi + kênh màu (ba màu = ba kênh có thể hoán đổi)

• Lõi sợi:
  Một nút quấn cực ngắn, cực chặt của một sợi năng lượng trong “biển năng lượng”. Lõi này đặt nền cho chirality, đóng góp một phần spin và chi phí tự duy trì (quán tính hiệu dụng). Khác biệt “vị” (lên, xuống, lạ, duyên, đáy, đỉnh) có thể hiểu như sai khác về bậc quấn và chế độ pha.
• Kênh màu (ống sợi màu):
  Không phải ống rỗng vật chất, cũng không phải một sợi thứ hai. Đây là “hành lang ghì giữ” có độ căng cao được kích hoạt trong biển năng lượng bởi đầu màu của lõi sợi—một lối đi có trở kháng thấp hơn. “Màu” chỉ ba kênh định hướng độc lập nhưng có thể hoán đổi.
  Định hướng giam cầm: Khi một tổ hợp chọn các hướng sao cho tổng vectơ bằng không (trung hoà màu), trường xa được “đóng nắp” và cấu trúc ổn định.
• Lời chú thích làm việc:
  Ống sợi màu không có thành ống vật chất; đó là một dải không gian do “độ căng–định hướng” kéo ra từ biển năng lượng. Gluon là các gói sóng pha–năng lượng truyền dọc theo dải này—những sự kiện trao đổi/tái nối—chứ không phải “viên bi”.

II. Giải thích vật chất hoá của giam cầm: vì sao không thấy “quark cô lập”

Hãy xem hai quark bị kéo tách ra được nối bởi một hành lang có độ căng cao:

• Kéo càng xa, “hoá đơn” càng lớn:
  Độ căng của hành lang xấp xỉ hằng số nên năng lượng tổng tăng gần tuyến tính theo khoảng cách.
• Lối thoát “kinh tế” hơn:
  Khi kéo đến ngưỡng, biển năng lượng sẽ tái nối ở giữa và mầm hoá một cặp quark–phản quark, cắt một hành lang dài thành hai hành lang ngắn hơn để mỗi bên khép kín thành mezôn.

Hệ quả: Thực nghiệm quan sát các tia và “mưa mezôn”, chứ không phải một quark đơn bị lôi ra.

III. Hadrôn “ghép” như thế nào: mezôn, barion và nút chữ Y

• Mezôn (q + q̄):
  Một kênh màu gần thẳng nối hai lõi sợi ở hai đầu; tổng thể trung hoà màu.
• Barion (q + q + q):
  Ba kênh màu hội tụ về một nút chữ Y trong không gian (tiết kiệm năng lượng hơn chu vi tam giác). Ba hướng cộng lại bằng không nên toàn bộ được khép kín.
• Trao đổi gluon:
  Các gói sóng pha/thông lượng chạy trên kênh màu “chuyển tải mức chiếm dụng” giữa ba nhánh, được quan sát như trao đổi màu.

IV. Trực giác về “vị” (lên, xuống, lạ, duyên, đáy, đỉnh): bậc quấn và tuổi thọ

• Bậc quấn/chế độ càng cao → chi phí mầm hoá càng lớn → khối lượng hiệu dụng lớn hơn và tuổi thọ ngắn hơn → có xu hướng phân rã về bậc thấp.
• Quark đỉnh cực nặng và phân rã rất nhanh, thường không kịp hadron hoá với hạt khác—phù hợp với quan sát.

V. Khối lượng, điện tích và spin: các “khoản mục” đến từ đâu

1. Khối lượng: hai “sổ cái” gộp làm một
   • Năng lượng tự thân của lõi sợi (độ cong/độ xoắn).
   • Năng lượng độ căng của hành lang (kho năng lượng “gửi” trong kênh).
     Từ đó, mệnh đề “phần lớn khối lượng proton đến từ tương tác mạnh” trở nên cụ thể: hoá đơn độ căng trong các kênh mảnh vượt xa “khối lượng trần” của quark.
2. Điện tích (vì sao bội số của 1/3):
   Dáng vẻ điện từ xuất phát từ phân cực định hướng ở vùng lân cận lõi sợi. Một phần “ngân sách định hướng” này bị kênh màu “chiếm dụng”; khi chiếu sang dáng vẻ điện từ, chỉ còn các đơn vị phân số: loại “lên” giữ nhiều hơn (+2/3), loại “xuống” ít hơn (−1/3). Các giá trị số vẫn đúng như chuẩn (±1/3, ±2/3); phần này chỉ cung cấp lý do vật chất hoá, không thay đổi con số.
3. Spin (ai đóng góp gì):
   Spin hiệu dụng là tổng của xoắn cấp lõi cộng với sóng xoắn và mômen động lượng của gluon trong kênh. Mỗi hadrôn có “tỷ lệ chia” khác nhau, giải thích trực giác các dữ kiện phân rã spin (spin quark chỉ đóng góp một phần).

VI. Hành vi theo thang đo: “tự do tiệm cận” ở gần, “ghì chặt” ở xa

• Rất gần (Q^2 cao):
  Khi các lõi tiến sát, tiết diện hiệu dụng của kênh mở rộng và trở kháng giảm; trao đổi giống một “đường hầm băng thông rộng” hơn, nên quark có vẻ tự do hơn—đó là tự do tiệm cận.
• Kéo xa (Q^2 thấp):
  Kênh bị kéo mảnh và căng; năng lượng tăng xấp xỉ theo khoảng cách. Hệ có xu hướng đứt và sinh cặp, rồi quay về các dạng khép kín, trung hoà màu—đó là giam cầm.

Hàm ý: Tự do tiệm cận và giam cầm cùng nằm trên một “sổ năng lượng” duy nhất.

VII. Đối chiếu với Mô hình Chuẩn (cầu ngôn ngữ, không tranh cãi)

• Ba màu ↔ ba kênh định hướng với hình học trực quan.
• Gluon ↔ gói sóng pha/thông lượng di chuyển trong kênh (chúng “giao nhận mức chiếm dụng”, không phải viên bi).
• Giam cầm và các tia ↔ năng lượng tăng tuyến tính theo khoảng cách + tái nối sinh cặp.
• Cấu trúc nội tại hadrôn ↔ mezôn khép kín bằng “ống thẳng”, barion khép kín bằng nút chữ Y.
• Khối lượng chủ yếu từ tương tác mạnh ↔ độ căng của kênh + năng lượng tự thân của lõi sợi chiếm ưu thế.
• Điện tích phân số ↔ phân cực vùng gần sau khi tính “mức chiếm dụng kênh màu” rồi chiếu sang điện từ.
• Quark đỉnh không kịp hadron hoá ↔ thời gian mầm hoá lớn hơn thời gian phân rã.

VIII. Điều kiện biên (tinh yếu | ăn khớp dữ liệu hiện có)

• Tán xạ không đàn hồi sâu (Deep Inelastic Scattering, DIS) và parton:
  Ở Q^2 cao và trong tán xạ không đàn hồi sâu, bức tranh hội tụ về quan điểm parton và không làm thay đổi các hàm phân bố parton (Parton Distribution Functions, PDFs) hay quy luật xếp tỉ lệ.
• Tính nhất quán điện từ:
  Điện tích giữ nguyên ở ±1/3 và ±2/3; các yếu tố dạng điện từ (form factor) và sự phụ thuộc năng lượng phù hợp với đo đạc.
• Phổ học và hadron hoá:
  Phổ cộng hưởng, hình thái tia (jets) và hàm phân mảnh nằm trong dải sai số; câu chuyện “thế tuyến tính—đứt và sinh cặp” chỉ là ngôn ngữ trực quan, không được tạo thêm đỉnh mới chưa quan sát.
• Bảo toàn và ổn định động lực:
  Bảo toàn màu, vị, năng lượng, xung lượng, mômen góc và số baryon được thoả mãn nghiêm ngặt; không có “hậu quả xảy ra trước nguyên nhân” hay trạng thái tự phát vượt kiểm soát.
• Trực quan hoá ≠ thay số:
  Mọi thuật ngữ trực quan—kênh, gói sóng, nút chữ Y—chỉ nhằm hỗ trợ trực giác, không thay đổi tham số hay phép khớp chuẩn.

IX. Thu gọn một câu

Quark = lõi sợi nhỏ + kênh màu. Kênh màu là một hành lang căng cao được kéo ra từ biển năng lượng để khoá nhiều lõi sợi thành một thể trung hoà màu; càng kéo, “hoá đơn” càng tăng cho đến khi tái nối sinh cặp và hệ quay về hadrôn khép kín. Vì vậy ta quan sát các tia và hadrôn chứ không thấy quark cô lập; đồng thời khối lượng, spin và điện tích phân số đều có “chỗ đứng” rõ ràng trên bản đồ vật chất hoá này.

X. Hình minh hoạ

1. Đơn vị quark đơn (lõi sợi + kênh màu khởi phát):

• Nhấn mạnh: Một quark đơn là đơn vị chưa khép kín, cần nối kênh với hạt khác để ổn định.
• Khoá đọc: Vòng đôi = lõi sợi; cung xanh nhạt = kênh màu; vàng = gói kiểu gluon; chuyển sắc xám = “chậu nông”.
• Gluon: Một “gói đậu phộng” màu vàng nằm trên kênh, biểu thị gói sóng pha–năng lượng truyền dọc kênh—sự kiện trao đổi/tái nối, không phải hạt cầu.
• Dẫn pha: Một cung pha màu xanh trên lõi (đầu dày hơn) biểu thị nhịp khoá pha.
• Chính: Bên trái là một vòng đôi nhỏ đánh dấu lõi sợi (tâm tự duy trì có bề dày). Một cung xanh nhạt vươn sang phải là kênh màu (dải ghì giữ do độ căng, không phải ống vật chất).

2. Mezôn (q + q̄, khép kín bằng “ống thẳng”):

• Nhấn mạnh: Mezôn là khép kín hai đầu bằng một “ống thẳng”.
• Khoá đọc: Hai vòng đôi ở hai đầu = lõi sợi của q và q̄; dải xanh nhạt = kênh; gói vàng = trao đổi kiểu gluon; không vẽ mũi tên điện (trung hoà màu).
• Dẫn pha: Mỗi đầu có một cung pha xanh. Đặt một gói vàng giữa kênh để biểu thị trao đổi màu.
• Chính: Hai lõi sợi ở trái và phải được nối bằng một kênh màu gần thẳng; tổng thể trung hoà màu.

3. Barion (phác thảo; xem §5.6 proton và §5.7 nơtron):
   Ba quark; ba kênh màu hội tụ tại một nút chữ Y ở trung tâm. Các lớp khác (vòng đôi lõi, dấu pha xanh, vùng đệm chuyển tiếp, các nét mảnh/đồng tâm ở trường xa) theo cùng sơ đồ.