Một cách dễ hiểu để mô tả Mô hình Chuẩn là như một cây gia đình cho các hạt. Ví dụ, Mô hình Chuẩn giải thích cấu tạo của nguyên tử, được tạo thành từ các hạt cơ bản như proton và neutron, và các hạt này được tạo ra từ các hạt quark.
Mô hình Chuẩn được xem là một trong những lý thuyết khoa học thành công nhất mọi thời đại, nhưng nó cũng không đầy đủ và cần Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein để điền vào những khoảng trống còn thiếu, giống như cách mà lý thuyết vạn vật hấp dẫn của Isaac Newton không đủ để giải thích tất cả các hiện tượng và cần đến sự hiểu biết của Einstein.
Lịch sử của mô hình chuẩn vật lý hạt

Mô hình Chuẩn được đúc kết vào những năm 1960 và đầu những năm 1970 từ công việc của một nhóm các nhà khoa học tiên phong. Tuy nhiên, nguồn gốc của nó có thể được truy tìm về những năm 1880 khi các nhà khoa học phát hiện ra các hạt mang điện tích dương và âm, và electron âm là hạt cơ bản đầu tiên được phát hiện vào năm 1897 bởi nhà vật lý người Anh J.J. Thomson. Năm 1911, Hans Geiger và Ernest Madsen đã thực hiện thí nghiệm “lá vàng” nổi tiếng của họ, đưa ra những bằng chứng cho thấy sự tồn tại của hạt nhân heli.
Sau đó, vào năm 1911, Hans Geiger và Ernest Madsen đã thực hiện thí nghiệm “lá vàng” được giám sát bởi nhà khoa học đoạt giải Nobel Ernest Rutherford tại Đại học Manchester. Thí nghiệm này bao gồm việc bắn các hạt alpha (hạt nhân heli) vào một lá vàng mỏng. Trong đó, một số hạt alpha đi thẳng qua các nguyên tử trong lá, những hạt khác bị phân tán sang trái và phải và một phần nhỏ trở lại. Thí nghiệm này đã trở thành một trong những thí nghiệm quan trọng nhất trong lịch sử khoa học, đóng góp quan trọng cho sự hiểu biết của chúng ta về cấu trúc nguyên tử.

Sau đó, Rutherford giải thích rằng các nguyên tử có rất nhiều không gian trống, nơi các hạt alpha có thể đi qua, tuy nhiên, điện tích dương của chúng tập trung trong một hạt nhân ở trung tâm và đôi khi một hạt alpha va chạm vào hạt nhân này sẽ bị phân tán hoặc bị hấp thụ. Sau đó, thí nghiệm sâu hơn của Rutherford vào năm 1919-1920 đã phát hiện ra rằng một hạt alpha được bắn vào không khí có thể đánh bật một hạt điện tích dương ra khỏi nguyên tử nitơ trong không khí, biến nó thành cacbon. Hạt này được gọi là proton, mang lại cho hạt nhân nguyên tử điện tích dương của nó. Sau đó, neutron, đối tác mang điện tích trung hòa của proton, được xác định vào năm 1932 bởi James Chadwick tại Cambridge, người cũng đã đoạt giải Nobel.
Tuy nhiên, sau đó, mọi thứ đã trở nên phức tạp hơn. Sự tồn tại của photon, một loại hạt thứ tư, đã được biết đến kỹ thuật. Vào năm 1932, nhà vật lý Mỹ Carl Anderson đã phát hiện ra positron, một phản vật chất tương đương với một electron. Muon được xác định vào năm 1936 bởi Anderson và Seth Neddermeyer, và sau đó, pion được phát hiện vào năm 1947 bởi Cecil Powell. Vào những năm 1960, với sự ra đời của các máy gia tốc hạt non trẻ, hàng trăm hạt khác đã được phát hiện, làm cho bức tranh khoa học trở nên rất phức tạp. Các nhà khoa học cần một cách tổ chức và sắp xếp hợp lý tất cả, và câu trả lời của họ cho điều này là tạo ra Mô hình Chuẩn, đây là vinh quang tột đỉnh của công trình tích lũy của cộng đồng vật lý thời đó.
Thế hệ hạt theo mô hình chuẩn
Theo Mô hình Chuẩn, có ba họ hạt cơ bản. Tuy nhiên, khi nhắc đến “cơ bản”, các nhà khoa học đang ám chỉ tới các hạt không thể được chia nhỏ thành các hạt nhỏ hơn. Ba họ hạt này bao gồm lepton, quark và boson, trong đó leptons và quark được gọi là Fermions bởi vì chúng có spin bán nguyên, trong khi đó, các boson có spin nguyên. Vậy spin là gì? Trong vật lý lượng tử, spin thể hiện mômen động lượng quay của mỗi hạt, đây là một thuộc tính lượng tử nội tại của các hạt, ngay cả khi chúng đứng yên. Các hạt spin nửa số nguyên có giá trị spin là nửa số nguyên, ví dụ như 1/2, 3/2, v.v. Trong khi đó, các hạt boson có giá trị spin nguyên nguyên, ví dụ như 1, 2, 3, v.v.
Leptons bao gồm electron, muon, hạt tau và neutrino. Hạt quark là các hạt nhỏ nhất, khi liên kết với nhau, tạo thành các hạt tổng hợp như proton và neutron. Các hạt được tạo thành từ quark được gọi là hadron (do đó là Máy va chạm Hadron Lớn), trong đó, các hạt tổng hợp được tạo thành từ số lẻ các quark, thường là ba, được gọi là baryon, và những hạt được tạo bởi hai quark được gọi là meson. Boson là các hạt tải điện, chúng truyền lực điện từ (photon), lực yếu (boson Z và W), lực hạt nhân mạnh (gluon), và lực Higgs (boson Higgs).
Mỗi “gia đình” hạt bao gồm sáu hạt đã biết (ngoại trừ các hạt boson), và đi theo cặp được gọi là “thế hệ”. Các hạt ổn định nhất và nhẹ nhất trong thế hệ tạo thành thế hệ đầu tiên. Vì tính ổn định của chúng, chúng ta có thể hiểu rằng tất cả các vật chất ổn định trong vũ trụ đều được tạo ra từ các hạt cơ bản thuộc thế hệ đầu tiên. Ví dụ, proton được tạo thành từ hai quark “lên” và một quark “xuống”, là hai quark ổn định nhất.

Mặc dù có 17 hạt cơ bản đã biết, bao gồm 6 lepton, 6 quark và chỉ có 5 boson, nhưng vật mang lực graviton vẫn chưa được tìm thấy. Mô hình chuẩn đã dự đoán rằng lực hấp dẫn cũng phải có một boson mang lực trong vỏ bọc của graviton. Tuy nhiên, việc phát hiện graviton không quan trọng như thể hiện bởi sức mạnh yếu nhất của nó trong số bốn lực cơ bản. Mặc dù trọng lực có thể giữ chân chúng ta trên mặt đất, nó vẫn được coi là lực yếu nhất trong số các lực cơ bản. Tuy nhiên, một số thách thức vật lý khác vẫn còn tồn tại như phần lớn vật chất và năng lượng trong vũ trụ mà Mô hình Chuẩn không dự đoán được.
Một câu hỏi lớn về vật lý là liệu các hạt cơ bản thực sự là cơ bản hay không, hay liệu chúng có chứa các phân tử và tấm hợp chất khác bên trong. Lý thuyết dây đã đưa ra giả thuyết rằng các hạt cơ bản được tạo ra từ các dây dao động nhỏ. Bên cạnh đó, vấn đề về phản vật chất cũng là một thách thức lớn, bởi vì theo lý thuyết, vật chất và phản vật chất nên được tạo ra cùng lúc trong Vụ nổ lớn. Tuy nhiên, điều đó không được thể hiện trong thực tế vì vật chất hiện tại chiếm phần lớn trong vũ trụ và phản vật chất rất ít. Sự bất đối xứng này là một câu hỏi lớn trong vật lý mà chúng ta đang cố gắng tìm hiểu.
Các hạt vượt ra ngoài mô hình chuẩn
Mặc dù Mô hình Chuẩn rất tuyệt vời, nhưng nó chỉ mô tả được một phần rất nhỏ trong vũ trụ. Theo thông tin từ tàu vũ trụ Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, chỉ có 4,9% tổng khối lượng và năng lượng trong vũ trụ là hành tinh, sao và thiên hà, còn lại là vật chất tối (26,8%) và năng lượng tối (68,3%) chưa được hiểu rõ. Tuy nhiên, điều đó chưa phải là tất cả những điều chúng ta chưa biết.
Trong lĩnh vực vật lý, câu hỏi lớn là liệu các hạt cơ bản có thực sự là cơ bản hoặc có chứa các vật lý khác bên trong chúng hay không. Ví dụ, Lý thuyết dây cho rằng các hạt cơ bản được tạo ra từ các dây dao động nhỏ. Ngoài ra, vấn đề về phản vật chất cũng là một câu hỏi đáng quan tâm. Trong lý thuyết, lượng vật chất và phản vật chất được tạo ra trong Vụ nổ lớn nên phải bằng nhau, nhưng thực tế lại không như vậy. Vũ trụ chứa hầu hết là vật chất và rất ít phản vật chất, điều này tạo ra một sự bất đối xứng đáng ngạc nhiên.

Câu hỏi đặt ra là tại sao các hạt lại có khối lượng như vậy, tại sao các lực lại có sức mạnh như vậy và tại sao các hạt lại được phân loại thành ba họ lepton, quark và boson. Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn không thể đưa ra đủ câu trả lời cho các nhà vật lý vì vậy họ muốn hiểu sâu hơn.
Các hạt siêu đối xứng
Để giải quyết những thách thức này, các nhà khoa học đã đưa ra ý tưởng về siêu đối xứng. Siêu đối xứng có nghĩa là mọi hạt trong Mô hình Chuẩn đều có đối tác siêu đối xứng với khối lượng và spin lớn hơn nhiều so với đối tác của Mô hình Chuẩn. Nếu siêu đối xứng đúng, điều này sẽ thống nhất các fermion với các boson. Điều này cũng có thể giúp giải thích khối lượng nhỏ đáng ngạc nhiên của boson Higgs.
Tuy nhiên, chưa có bằng chứng nào cho thấy sự tồn tại của các đối tác siêu đối xứng. Nếu các hạt siêu đối xứng tồn tại, chúng phải có khối lượng lớn hơn so với mức mà Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) có thể phát hiện. Vì vậy, có những nghi ngờ về sự tồn tại của siêu đối xứng.

Hiện nay siêu đối xứng đang đối diện với nguy cơ nguy hiểm và các nhà vật lý đang nỗ lực tìm kiếm một lý thuyết mới để thay thế. Lý thuyết này sẽ phải dựa trên Mô hình Chuẩn và giải thích khối lượng của hạt boson Higgs, cũng như các hiện tượng vật chất tối và các lý thuyết thống nhất lớn khác.
Hiện nay vẫn chưa có ứng cử viên mạnh nào để thay thế siêu đối xứng, và do đó nó vẫn có thể chiến thắng. Tuy nhiên, các nhà vật lý bây giờ phải chấp nhận thực tế rằng thế giới của chúng ta không hoàn hảo và phải tiếp tục nghiên cứu để hiểu thêm về sự vận hành của vũ trụ.