Sử dụng máy gia tốc hạt để nghiên cứu hạt nhân và tìm ra một số hạt cơ bản

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp “Sử dụng máy gia tốc hạt để nghiên cứu hạt nhân và tìm ra một số hạt cơ bản”, đây là khóa luận tốt nghiệp của bản thân.. Nó có rất nhi

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, khẩn trương đến nay đề tài khóa luận tốt nghiệp của em đã hoàn thành Trong thời gian nghiên cứu em đã được sự giúp đỡ tận tình của giảng viên – Th.s Hoàng Phúc Huấn – người trực tiếp hướng dẫn em làm đề tài này cùng các thầy cô trong khoa Vật Lí, đặc biệt là tổ Vật Lý lý thuyết trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 và các bạn sinh viên khoa Vật Lý

Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật Lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, cùng gia đình, bạn bè đã động viên khích

lệ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này

Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Tâm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp “Sử dụng máy gia tốc hạt để nghiên cứu hạt nhân và tìm ra một số hạt cơ bản”, đây là khóa luận tốt nghiệp

của bản thân Tất cả những thông tin tham khảo dùng trong khóa luận lấy từ các công trình nghiên cứu có liên quan đều được nêu rõ nguồn gốc trong danh mục tài liệu tham khảo Các kết quả nghiên cứu đưa ra trong khóa luận tốt nghiệp là hoàn toàn trung thực

Ngày tháng năm 2013

TÁC GIẢ

Phạm Thị Tâm

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: MÁY GIA TỐC 3

1.1 Định nghĩa máy gia tốc hạt 3

1.2 Phân loại máy gia tốc hạt 3

1.3 Máy gia tốc hạt đầu tiên 4

1.4 Một số máy gia tốc hiện nay 6

CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA MÁY GIA TỐC 17

2.1 Tìm hạt cơ bản 17

2.2 Phản vật chất 24

2.3 Chứng minh thực nghiệm 27

2.4 Một số hình ảnh về máy gia tốc hạt 28

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG MÁY GIA TỐC HẠT ĐỂ TÌM RA MỘT SỐ HẠT CƠ BẢN 30

3.1 Định nghĩa 30

3.2 Giới thiệu chung 30

3.3 Mục đích 31

3.4 Thiết kế và vận hành 33

3.5 Bộ phân tích 36

3.6 Quá trình hoạt động 39

3.7 Chi phí 40

3.8 Thông tin 41

3.9 Sự an toàn của LHC 41

3.10 Tìm một số hạt cơ bản 43

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vật lý hạt nhân là một phần cơ bản trong vật lý đại cương Những thành tựu của vật lý hạt nhân đã góp phần đáng kể trong việc phát triển vật lý nhân loại Nó có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống con người như chữa bệnh, khảo cổ, tạo ra năng lượng … Công cụ chính để tạo ra phản ứng hạt nhân chính là máy gia tốc Máy gia tốc là thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt mang điện tích Máy gia tốc được phát triển nhờ những sáng kiến về vật lý hạt nhân và vật lý hạt cơ bản xuất phát từ những khát vọng khám phá thế giới tự nhiên của con người Tiếp theo đó máy gia tốc được xây dựng đã mở ra một lĩnh vực khoa học máy gia tốc mới đan xen với rất nhiều ứng dụng của máy gia tốc Bên cạnh đó máy gia tốc còn đóng vai trò vô cùng quan trọng, nó được sử dụng trong nghiên cứu các hạt sơ cấp Large Hadron Collider là chiếc máy gia tốc hạt hiện đại lớn nhất và cung cấp gia tốc mạnh nhất trên thế giới, được thiết

kế để tạo va chạm trực diện giữa các tia proton với động năng cực lớn Mục đích chính của nó là phá vỡ những giới hạn và mặc định của mô hình chuẩn - những lý thuyết cơ bản hiện thời của vật lý hạt Trên lý thuyết, chiếc máy này được cho là sẽ chứng minh được sự tồn tại của hạt Higgs, những kết quả nghiên cứu từ chiếc máy này có thể chứng minh những dự đoán từ trước cũng như những liên kết còn thiếu trong mô hình chuẩn, và giải thích được những hạt sơ cấp khác có được những đặc tính như khối lượng như thế nào Vì các lý

do trên tôi chọn đề tài: “SỬ DỤNG MÁY GIA TỐC HẠT ĐỂ NGHIÊN CỨU HẠT NHÂN VÀ TÌM RA MỘT SỐ HẠT CƠ BẢN"

2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo, hoạt động của máy gia tốc hạt

- Máy gia tốc hạt được sử dụng để nghiên cứu các hạt sơ cấp

3 Đối tượng nghiên cứu

- Máy gia tốc hạt

- Các hạt sơ cấp

- Vai trò của các máy gia tốc hạt

4 Giả thuyết khoa học

- Sử dụng máy gia tốc hạt để cung cấp năng lượng cho các hạt sơ cấp

- Giải thích trạng thái lỗ đen lượng tử và vật chất tối

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Sử dụng các máy gia tốc hạt:

+ Máy gia tốc thẳng

+ Máy gia tốc vòng

- Nghiên cứu chuyển động của hạt sơ cấp trong điện từ trường

6 Phương pháp nghiên cứu

- Đọc và tra cứu tài liệu

- Tìm hiểu vai trò của máy gia tốc

7 Cấu trúc khóa luận: khóa luận gồm 03 chương

Chương 1: Máy gia tốc hạt

Chương 2: Vai trò của máy gia tốc hạt

Chương 3: Sử dụng máy gia tốc để tìm ra một số hạt cơ bản

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 MÁY GIA TỐC

1.1 Định nghĩa máy gia tốc hạt

Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện đều được gọi chung là máy gia tốc hạt

+ Vì vậy nguyên lý hoạt động, cấu tạo, kích thước của các máy gia tốc

là khác nhau Máy gia tốc được sử dụng trong nhiều lĩnh vực

+ Trong vật lý, máy gia tốc đóng vai trò đặc biệt quan trọng, nó được

sử dụng trong nghiên cứu các hạt sơ cấp

+ Sự đa dạng của các loại máy gia tốc, năng lượng, cường độ và chất lượng cùng với các dòng hạt thứ cấp sinh ra từ chúng như bức xạ hãm, bức xạ đồng bộ, nơtron, mesons, các chùm hạt nhân phóng xạ đã mở rộng lĩnh vức ứng dụng của máy gia tốc

1.2 Phân loại máy gia tốc hạt

Trong quá trình được gia tốc hạt có thế chuyển động theo quỹ đạo thẳng hoặc quỹ đạo tròn Trên cơ sở tính chất của quỹ đạo người ta phân ra hai loại máy gia tốc:

1.2.1 Máy gia tốc thẳng

Máy gia tốc thẳng là loại máy gia tốc cổ Máy gia tốc thẳng cổ nhất là máy gia tốc kiểu Vi-do-ro-e ra đời từ năm 1930: cho chùm hạt mang điện đi qua một dãy nối tiếp các miền trong đó có điện trường, các hạt mang điện sẽ được tăng tốc nhờ điện trường Cuối cùng, các hạt mang điện có thể có năng lượng khoảng vài trăm MeV

Trong ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc người ta thường dùng phối hợp máy gia tốc thẳng với máy gia tốc vòng Một số máy gia tốc thẳng có thể kể đến chiếc máy của Pháp, khánh thành năm 1958, và những thí nghiệm đầu tiên được tiến hành vào năm 1959

1.2.2 Máy gia tốc vòng

Máy gia tốc vòng là loại máy gia tốc trong đó các hạt chuyển động theo các đường vòng (hạt chuyển động theo đường xoáy ốc từ tâm ra ngoài với bán kính ngày càng tăng hoặc hạt chuyển động theo các đường tròn có bán kính ngày càng tăng và luôn luôn tiếp xúc với nhau tại một điểm) Để buộc các hạt chuyển động theo các đường vòng, người ta dùng từ trường của nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quĩ đạo của hạt Còn để tăng tốc các hạt thì người ta dùng điện trường

+ Có hai kiểu máy gia tốc vòng:

 Kiểu cyclotron: trong các cyclotron, quỹ đạo của các hạt tích điện là các đường xoáy ốc phẳng

 Kiểu synchrotron: trong các synchrotron, quỹ đạo của các hạt là đường tròn, muốn quỹ đạo của các hạt là đường tròn người ta phải dùng nhiều nam châm có cảm ứng từ khác nhau và bố trí theo thứ tự cảm ứng từ tăng dần Mỗi khi hạt được tăng tốc thì cảm ứng từ của từ trường phải tăng tương ứng

để giữ cho bán kính của quỹ đạo không đổi

1.3 Máy gia tốc hạt đầu tiên

Cyclotron là một dạng của máy gia tốc hạt.Cyclotrons: gia tốc những hạt tích điện dùng tần số cao Một từ trường thẳng đứng gây ra cho hạt theo hình xoắn ốc trong một đường tròn để chúng được gia tốc nhiều lần

Và Ernest Lawrence, của Đại học California, Berkeley, được công nhận với cái máy Cyclotron đầu tiên vào năm 1929

Cơ chế làm việc của Cyclotron

Trong Cyclotron, các điện cực được đặt trên ống chân không, một tần

số cao cung cấp cho điện cực “D” (hình chữ D) hút và đẩy những hạt điện tích nằm ở trung tâm của từ trường, các hạt này được gia tốc khi vượt xuyên qua khe giữa hai cực.Từ trường thẳng đứng cùng với lực hút giữa nguyên tử với nguyên tử làm tăng chuyển động của hạt trên đường xoắn ốc

Hình 1.1 Sơ đồ của Cyclotron Hình 1.2 Buồng gia tốc của

Cyclotron Nếu không thay đổi năng lượng những hạt tích điện trong một từ trường sẽ đi theo một đường tròn Trong Cyclotron, năng lượng được cung cấp cho hạt mang điện khi chúng vượt qua khoảng giữa “D” và vì vậy chúng được gia tốc và sẽ tăng khối lượng khi mà chúng tiến dần đến năng lượng ánh sáng.Cả hai hiệu ứng (tăng vận tốc và tăng khối lượng) sẽ tăng bán kính của hình tròn và vì vậy đường đi sẽ là một đường xoắn ốc

(Những hạt điện tích chuyển động trên một đường xoắn ốc, bởi vì dòng điện của electron hoặc ion, phun thẳng đến một từ trường Những hạt điện tích chuyển động tự do trong chân không, vì vậy những hạt điện tích phun ra một đường xoắn ốc.)

Bán kính sẽ tăng cho đến khi bắn mục tiêu nằm trên chu vi của ống chân không.Những vật chất khác có thể được dùng làm mục tiêu, và sự va chạm sẽ tạo những hạt điện tích thứ yếu cái mà có thể được dẫn ra ngoài Cyclotron và đi đến dụng cụ phân tích Kết quả sẽ cho phép tính toán những thuộc tính khác nhau, như là khoảng cách giữa các nguyên tử và những sản phẩm va chạm khác

Mục đích của Cyclotron

Trong vài thập kỉ, Cyclotron là cái nguồn tốt nhất của những chùm năng lượng cao của thí nghiệm vật lý hạt nhân hoặc có thể dung để bắn phá các nguyên tử khác để tìm ra các hạt đồng vị Vài Cyclotron thì vẫn dùng cho nghiên cứu xem xét ung thư và diệt các khối u ác tính bằng xạ trị

1.4 Một số máy gia tốc hiện nay

Bảng 1.1: Cyclotrons Máy gia tốc cộng hưởng từ

Máy gia

tốc Vị trí

Năm hoạt động Dạng

Hạt được gia tốc

Động năng Thành quả 9-inch

cyclotron

UC

Berkeley 1931 Tròn H2+

1.0 MeV

Kiểm chứng được khái niệm

Khám phá và kiểm chứng tương tác của hạt Deuteron 37-inch

cyclotron

UC

Berkeley 1937-1938 Tròn Deuteron

8 MeV

Khám phá ra các chất đồng vị

Khám phá ra các chất đồng vị

Nghiên cứu sự tách biệt trên đồng

Được sử dụng để đồng vị riêng biệt cho các dự án Manhattan

Máy gia tốc đầu tiên xây dựng tại Lawrence Berkeley National Laboratory, sau đó được biết như là Berkeley Radiation Laboratory

Một số máy gia tốc cổ khác:

Bảng 1.2: Synchrotrons

Hạt được gia tốc Động năng Thành quả

Cosmotron Phòng thí nghiệm

quốc tế Brookhaven 1953-1968

Vòng tròn (72 m ) Proton 3.3 GeV

Khám phá mesons nhân tạo Birmingham

Synchrotron

trường đại học

Bevatron Berkeley Rad Lab ie

Khám phá hạt lạ: s,antiproton, antineutron Bevalac, kết hợp

Synchrophasotron Dubna, Russia December

SLAC Linac Stanford Linear

Accelerator center 1966-present

Fermilab Main

Circular Synchrotron

Protons and antiprotons

400 GeV (until 1979),

150 GeV thereafter

Super Proton

Protons and ions 480 GeV Bates Linear

Accelerator Middleton, MA 1967-2005 Thẳng

Electrons phân cực 1 GeV

CEBAF

Thomas Jefferson với máy gia tốc quốc gia Newport News,

1987-present synchrotron electrons 3.5 GeV

ISIS neutron

source

Rutherford Appleton Laboratory, Didcot,

Oxon

1984-present H- Linac Protons 800 MeV

Năng lượng cao khi tia proton được vận hành

accelerator

Electrons phân cực

Tevatron Fermilab 1978-present

Superconducting Circular Synchrotron

800 MeV -

1 GeV

Bảng 1.3: Sự va chạm của Electron-positron

Máy gia tốc Vị trí Năm vận

hành

Hình dạng và chu vi

Năng lượng electron

Năng lượng Positron

Thí nghiệm Khám phá

AdA

Frascati, Italy; Orsay, France

1961-1964 Tròn, 3 m 250 MeV 250 MeV công nhận sự ảnh

hưởng e+e- (1964)

Princeton-Stanford (e-e-)

Stanford, California 1962-1967

2 vòng tròn, 2.7 m 130 MeV 130 MeV

số lượng e+e- trong hiệu ứng phát xạ QED

VEPP-2,

VEPP-2M

Novosibirsk, Soviet Union 1965-1999

Tròn, 17.88

OLYA, ND, CMD; SND, CMD-2

e+e- -> π (1966), e+e- -> γ (1971)

Mark II, Mark III

II

LEP CERN 1989-2000 Tròn , 27km 104 GeV 104 GeV

Aleph, Delphi, Opal, L3

Tương tác yếu,

ARGUS, Crystal Ball, DASP, PLUTO

Sự dao động của B mesons

JADE, MARK-J, PLUTO, TASSO

khám phá gluon

CESR Cornell

University 1979-2002 tròn, 768m 6 GeV 6 GeV

CUSB, CHESS, CLEO, CLEO-2, CLEO-2.5, CLEO-3

First observation

of B decay, charmless and

"radiative penguin" B decays

University 2002-2008 Tròn , 768m 6 GeV 6 GeV

CHESS, CLEO-c

PEP-II SLAC 1998-2008 Tròn , 2.2 km 9 GeV 3.1 GeV Babar CP viphạm trong

cấu trúc B meson

KEKB KEK 1999-2008 Tròn , 3km 8.0 GeV 3.5 GeV Belle CP vi phạm trong

cấu trúc B meson VEPP-2000 Novosibirsk 2006- Tròn , 24m 1.0 GeV 1.0 GeV

VEPP-4M Novosibirsk 1994- Tròn , 366m 6.0 GeV 6.0 GeV

BEPC China 1989-2004 Tròn , 240m 2.2 GeV 2.2 GeV Beijing

Spectrometer

(I and II) DAΦNE Frascati, Italy 1999- Tròn , 98m 0.7 GeV 0.7 GeV KLOE

BEPC II China 2008- Tròn , 240m 3.7 GeV 3.7 GeV

Beijing Spectrometer III

Những thí nghiệm 31.5 GeV

7 TeV

ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM

Bảng 1.5 Va chạm Electron-proton

Máy gia

tốc Vị trí

Năm hoạt động

Dạng và kích thước

Năng lượng electron

Hình dạng và kích thước Ion được dùng

Năng lượng ion Cuộc thử nghiệm

Relativistic Heavy

Ion Collider

Brookhaven National Laboratory, New York 2000- 3.8 km

Au-Au; Cu-Cu;

d-Au; polarized

pp

0.1 TeV per nucleon

STAR, PHENIX, Brahms, Phobos

CHƯƠNG 2 VAI TRÒ CỦA MÁY GIA TỐC

2.1.2.2 Thời gian tồn tại

Các hạt cơ bản đa số có thể phân rã thành các hạt khác Thời gian sống của chúng dao động từ 10-6 đến 10-24 giây Một số ít hạt cơ bản được gọi là bền, có thời gian sống rất lớn, có thể coi là bền như electron 1022 năm, prôtôn

1030 năm Người ta nghiên cứu thời gian sống của hạt cơ bản thông qua lý thuyết xác suất, dựa trên thời gian để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ còn lại 0,5n hạt

2.1.2.3 Điện tích

Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và nơtrinô ν Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối đều bằng điện tích nguyên tố của electron 1,602 x 10-19 C

2.1.2.4 Spin

Spin là một khái niệm trong vật lý, là bản chất của mô men xung lượng

và là một hiện tượng của cơ học lượng tử thuần túy, không cùng với những sự tương đồng trong cơ học cổ điển

Trong cơ học cổ điển, mô men xung lượng được phát triển từ xung lượng cho sự quay của một vật có khối lượng, và được biểu diễn bằng công thức L r p

, nhưng spin trong cơ học lượng tử vẫn tồn tại ở một hạt với khối lượng bằng 0, bởi vì spin là bản chất nội tại của hạt đó Các hạt cơ bản như electron có thể có spin khác 0

Ví dụ, với điện tử và phản hạt của nó positron thì có điện tích trái dấu, nơtron và phản nơtron là mômen từ

Hầu hết các hạt cơ bản đều có phản hạt, riêng photon thì không - phản của photon cũng chính là photon

Các cặp hạt - phản hạt:

 Điện tử e- - Positron e+

 Neutron n – phản neutron antin hay

 Proton p hay p + - phản proton hay p −

2.1.3 Phân loại các hạt cơ bản

2.1.3.1 Hạt Femion

Các hạt fermion có spin bán nguyên ½ Mỗi hạt fermion đều có một phản hạt riêng Fermion là hạt cơ bản cấu thành nên vật chất Chúng được phân loại dựa theo tương tác trong thuyết sắc động học phân tử và theo mô hình chuẩn có 12 hương của fermion cơ bản, bao gồm 6 quark và 6 lepton

Vì có spin nửa nguy

fermion sẽ đổi dấu Đó đ

fermion Điều này dẫn đến các fermion tuân theo thống k

quả của nó là nguyên lý lo

chiếm một trạng thái cơ lư

Trong Mô hình chu

ửa nguyên, khi một fermion quay 360°, h

ẽ đổi dấu Đó được gọi là dáng điệu hàm sóng phản đối xứng của

ẫn đến các fermion tuân theo thống kê Fermi

à nguyên lý loại trừ Pauli - không có hai fermion nào có th

ơ lượng tử vào cùng một thời điểm

Trong Mô hình chuẩn, có hai kiểu fermion cơ bản: quark v

ờng được bảo toàn xấp xỉ nên đôi khi chúng c

ấu tạo của vật chất

ồ cấu trúc quark của neutron và proton

Các quark tương tác với nhau bởi lực màu (color force), m

ồn tại ở 6 hương

Quark Tên/Hương Điện tích Khối lượng (MeV) Phản quark

+⅔ 1.5 đến 4 Phản quark trên:

−⅓ 80 đến 130 Phản quark l +⅔ 1,150 đến 1,350 Phản quark duyên: −⅓ 4,100 đến 4,400 Phản quark đáy:

+⅔ 178,000 ± 4,300 Phản quark đ

ủa neutron Cấu trúc quark củ

ột fermion quay 360°, hàm sóng của

ản đối xứng của Fermi-Dirac, hệ không có hai fermion nào có thể cùng

ản: quark và lepton Vì

ên đôi khi chúng còn được gọi

), mỗi quark đều

Các Lepton:

Lepton (tiếng Hy Lạp là λεπτόν) có nghĩa là "nhỏ" và "mỏng" Tên này

có trước khi khám phá ra các hạt tauon, một loại hạt lepton nặng có khối lượng gấp đôi khối lượng của proton

Lepton là hạt có spin bán nguyên ½, và không tham gia trong tương tác mạnh Lepton hình thành một nhóm hạt cơ bản phân biệt với các nhóm gauge boson và quark

Có 12 loại lepton được biết đến, bao gồm 3 loại hạt vật chất là electron, muon và tauon, cùng 3 neutrino tương ứng và 6 phản hạt của chúng Tất cả các lepton điện tích đều có điện tích là -1 hoặc + 1 (phụ thuộc vào việc chúng

là hạt hay phản hạt) và tất cả các neutrino cùng phản neutrino đều có điện tích trung hòa Số lepton của cùng một loại được giữ ổn định khi hạt tham gia tương tác, được phát biểu trong định luật bảo toàn số lepton

Bảng 2.2 So sánh hạt và phản hạt

Hạt điện tích / phản hạt Neutrino / phản neutrino

Tên Ký hiệu Điện

tích

Khối lượng (GeV)

hiệu

Điện tích

Khối lượng (MeV)

Electron neutrino / Electron phản neutrino

0 <0,000003

Muon /

Phản muon

−1 / +1 0,1056

Muon neutrino / Muon phản neutrino

0 <0,19

Tauon /

Phản tauon

−1 / +1 1,777

Tau neutrino / Tau phản neutrino

0 <18,2

2.1.3.2 Hạt Gauge boson

Các boson đều có spin nguyên Các lực cơ bản của tự nhiên đuợc truyền bởi các hạt gauge boson Theo mô hình chung có 13 loại hạt boson cơ bản:

 Quang tử, photon, có spin 1, là hạt truyền tương tác trong lực điện từ

 Các W boson và Z boson có spin 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác yếu

 8 gluon có spin 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác mạnh Hiện tại, các thuyết vật lý dự đoán về sự tồn tại của một số boson khác như:

 Higgs boson, có spin 0, được dự đoán bởi mô hình chuẩn của thuyết điện yếu thống nhất

 Graviton, có spin 2, được cho là hạt truyền tương tác trong lực hấp dẫn và được dự đoán bởi thuyết hấp dẫn lượng tử

 Các thành phần siêu đối xứng của các hạt fermion (là slepton và squark)

2.1.4 Tương tác của các hạt sơ cấp

Chúng là các hạt truyền tương tác giữa các cấu tử vật chất Cho đến nay

có thể cho rằng, giữa thế giới của các hạt vật chất có bốn loại tương tác có 4 loại tương tác cơ bản:

2.1.4.1 Tương tác mạnh

Lực tương tác mạnh là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên, liên kết các quark có màu để tạo thành hadron, trong đó có proton, neutron, các hạt tạo nên hạt nhân nguyên tử Lực này giữ các thành phần của hạt nhân nguyên

tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton Lực này được chia làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực mạnh dư Lực tương tác mạnh ảnh hưởng bởi các hạt quark, phản quark và gluon, cũng như các boson truyền tương tác của chúng Thành phần cơ bản của tương tác mạnh giữ các quark lại với nhau để hình thành các hadron như proton và neutron Thành phần dư của tương tác mạnh giữ các hadron lại trong hạt nhân của một nguyên tử Ở đây còn có một hạt gián tiếp là bosonic hadron, hay còn gọi là meson

Lực tương tác mạnh xảy ra giữa hai quark là nhờ một hạt trao đổi có tên là gluon Nguyên lý hoạt động của hạt gluon có thể hiểu như trái bòng bàn, và hai quark là hai vận động viên Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng càng lớn, nhưng khi chúng gần xát nhau, thì lực tương tác này bằng 0 Có 8 loại gluon khác nhau, mỗi loại mang một màu điện tích và một đối màu điện tích (có 3 loại màu, nhưng do có sự trung hòa giống như đỏ + xanh + vàng = trắng ngoài tự nhiên, nên chỉ có 8 tổ hợp màu giữa chúng)

Hiện tượng không thể tách rời các quark xa nhau gọi là hiện tượng

giam hãm (confinement) Có một giả thuyết rằng các quark gần nhau sẽ không

tồn tại lực tương tác mạnh và trở thành tự do, giả thuyết này còn gọi là sự tự

do tiệm cận và có thể được giải thích bằng nguyên lý quả bóng bàn như trên