1. Hạt sơ cấp

Cho đến nay người ta đã phát hiện được các hạt có kích thước và khối lượng rất nhỏ, chẳng hạn như electron, prôtôn, nơtron, môzôn, muyôn, piôn. Tất cả các hạt này được gọi là các hạt sơ cấp (đôi khi còn gọi là các hạt cơ bản). Nói chung hạt sơ cấp nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử.

2. Các đặc trưng của hạt sơ cấp 

– Khối lượng nghỉ m_o:

Phôtôn có khối lượng nghỉ bằng không. Ngoài phôtôn, trong tự nhiên còn có các hạt khác có khối lượng nghỉ bằng không, như hạt nơtrinô ve, hạt gravitôn. Thay cho mo người ta còn thường dùng đại lượng đặc trưng là năng lượng nghỉ E_o tính theo hệ thức Anh-xtanh E_o = moc.

– Điện tích

Hạt sơ cấp có thể có điện tích Q = +1 (tính theo đơn vị đo là điện tích nguyên tố e), hoặc Q =-1, hoặc Q = 0 (hạt trung hòa).

Q được gọi là số lượng tử điện tích, biểu thị tính gián đoạn của độ lớn điện tích các hạt.

– Spin

Một hạt sơ cấp khi đứng yên cũng có momen động lượng riêng và momen từ riêng. Các momen này được đặc trưng bằng số lượng tử spin.

Momen động lượng riêng của hạt bằng  (h là hằng số Plăng).

Chẳng hạn prôtôn, nơtron, có spin s = 1⁄2, nhưng phôtôn có spin bằng 1, piôn có spin bằng 0.

– Thời gian sống trung bình

rong số các hạt sơ cấp, chỉ có 4 hạt không phân rã thành các hạt khác, gọi là hạt bền (prôtôn, electron, phôtôn, nơtron). Tất cả các hạt khác là các hạt không bền và phân rã thành các hạt khác. Trừ nơtron có thời gian sống dài, khoảng 932s, các hạt không bền khác đều có thời gian sống rất ngắn, từ 10^-24s đến 10^-6s

3. Phản hạt

– Phần lớn các hạt sơ cấp đều tạo thành cặp, mỗi cặp gồm hai hạt có khối lượng nghỉ mo và spin s như nhau, nhưng chúng có điện tích 2 bằng nhau về độ lớn và trái dấu. Chẳng hạn, electron và pozitôn có khối lượng nghỉ bằng me và spin bằng 3, nhưng có điện tích tương ứng bằng +1 và -1, tạo thành một cặp.

Trong mỗi cặp, có một hạt và một phản hạt của hạt đó.

– Trong các quá trình tương tác của các hạt sơ cấp, có thể xảy ra hiện tượng hủy một cặp “hạt + phản hạt” có khối lượng nghỉ khác không thành các phôtôn, hoặc cùng một số lúc sinh ra một cặp “hạt + phản hạt” từ những phôtôn. Ví dụ như quá trình hủy cặp hoặc sinh cặp “electron + pôzitrôn”:

4. Phân loại hạt sơ cấp 

– Phôtôn (lượng tử ánh sáng) có m_o = 0

– Leptôn, gồm các hạt nhẹ như electron, muyôn (μ⁺,μ^– ), các hạt tau (τ⁺, τ^-).

– Mêzôn, gồm các hạt có khối lượng trung bình trong khoảng 200 ; 900 m2, gồm hai nhóm: môzôn 1 và môzôn K.

– Barion, gồm các hạt nặng có khối lượng bằng hoặc lớn hơn khối lượng prôtôn. Có hai nhóm barion là nuclon và hipêrôn, cùng các phản hạt của chúng. Năm 1964 người ta đã tìm ra một hipêrôn mới đó là hạt ômêga trừ (Ω^-).

Tập hợp các mêzôn và các bariôn có tên chung là các hađrôn.

5. Tương tác của các hạt sơ cấp Có 4 loại tương tác cơ bản đối với các hạt sơ cấp:

– Tương tác hấp dẫn: Đó là tương tác giữa các hạt vật chất có khối lượng. Bán kính tác dụng của lực hấp dẫn lớn vô cùng, nhưng so với các tương tác khác thì cường độ của tương tác hấp dẫn là rất nhỏ.

– Tương tác điện từ: Đó là tương tác giữa các hạt mang điện, giữa các vật tiếp xúc gây nên ma sát. Cơ chế tương tác điện từ là sự trao đổi phôtôn giữa các hạt mang điện. Bán kính tác dụng của tương tác điện tử xem như lớn vô hạn. Tương tác điện từ mạnh hơn tương tác hấp dẫn khoảng 1038 lần.

– Tương tác yếu: Đó là tương tác chịu trách nhiệm trong phân rã B. Chẳng hạn, phân rã 8 là do tương tác yếu của 4 hạt nơtron, prôtôn, electron và phản nơtriôn theo phương trình:

Tương tác yếu có bán kính tác dụng cỡ 10-18 m và có cường độ nhỏ hơn tương tác điện từ 10¹¹lần.

– Tương tác mạnh: Đó là tương tác giữa các hađrôn, như tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân, tạo nên lực hạt nhân, cũng như tương tác dẫn đến sự sinh hạt hađrôn trong quá trình va chạm của các hađrôn. Tương tác mạnh lớn hơn tương tác điện từ trên 100 lần và có  bán kính tác dụng cỡ 10^-15 m (bằng kích thước hạt nhân).

6. Hạt quac (quark)

– Có 6 hạt quac kí hiệu là u, d, s, a, b và t. Cùng với các quac, có 6 phản quac với điện tích có dấu ngược lại. Điều kì lạ là điện tích các hạt quac bằng 

Các hạt quac đã được quan sát thấy trong thí nghiệm, nhưng đều trạng thái liên kết; chưa quan sát được hạt quac tự do.

Cho đến nay, hầu hết các nhà vật lí đều thừa nhận sự tồn tại của hạt quac và như vậy, các hạt thực sự là sơ cấp (hiểu theo nghĩa là hạt không thể tách được thành các phần nhỏ hơn) chỉ gồm các quac, các lepton và các hạt truyền tương tác.