tìm kiếm đơn cực từ cở sở lý thuyết và thực nghiệm

B B Ộ Ộ G G I I Á Á O O D D Ụ Ụ C C V V À À Đ Đ À À O O T T Ạ Ạ O O T T R R Ư Ư Ờ Ờ N N G G Đ Đ Ạ Ạ I I H H Ọ Ọ C C S S Ư Ư P P H H Ạ Ạ M M T T H H À À N N H H P P H H Ố Ố H H Ồ Ồ C C H H Í Í M M I I N N H H KHOA VẬT LÝ  TÁC GIẢ: NGUYỄN THỊ NGỌC HẰNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2011 B B Ộ Ộ G G I I Á Á O O D D Ụ Ụ C C V V À À Đ Đ À À O O T T Ạ Ạ O O T T R R Ư Ư Ờ Ờ N N G G Đ Đ Ạ Ạ I I H H Ọ Ọ C C S S Ư Ư P P H H Ạ Ạ M M T T H H À À N N H H P P H H Ố Ố H H Ồ Ồ C C H H Í Í M M I I N N H H KHOA VẬT LÝ  TÁC GIẢ: NGUYỄN THỊ NGỌC HẰNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM NGÀNH : SƯ PHẠM VẬT LÝ MSSV: K33102017 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TSKH. LÊ VĂN HOÀNG TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2011 LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Hoàng, người đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin gởi lời tri ân đến quý thấy cô Khoa Vật Lý – Trường ĐHSP. TP. HCM đã tận tình giảng dạy, trạng bị những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt những năm học vừa qua. Sự tận tụy của thầy cô là tấm gương để tôi suốt đời noi theo và phấn đấu cho sự nghiệp giáo dục. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình làm luận văn cũng như những năm tháng trên giảng đường đại học. Cuối cùng tôi không thể thể hiện hết sự biết ơn của tôi đối với gia đình, ba, mẹ, các anh chị đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cả về vật chất lẫn tinh thần giúp tôi vững tâm học tập trong suốt những năm học đại học cũng như trong suốt thời gian tôi làm luận văn. Xin gửi lời chúc sức khỏe đến thầy cô, gia đình và bạn bè. TP. Hồ Chí Minh, ngày 29-4-2011 Nguyễn Thị Ngọc Hằng MỤC LỤC 20TLỜI CẢM ƠN20T 0 20TMỤC LỤC20T 1 20TDANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT20T 3 20TLỜI MỞ ĐẦU20T 4 20TCHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT ĐƠN CỰC TỪ20T 7 20T1.1 Lịch sử đơn cực từ20T 7 20T1.2 Đơn cực từ Dirac20T 10 20T1.3 Những động lực vật lý để tìm kiếm đơn cực từ20T 13 20T1.3.1 Sự tồn tại của đơn cực từ giải thích sự lượng tử hóa của điện tích20T 13 20T1.3.2 Hệ phương trình Maxwell mở rộng đối xứng với đơn cực từ20T 15 20T1.3.3 Đơn cực từ trong lý thuyết thống nhất lớn20T 17 20T1.4 Đặc tính của đơn cực từ20T 19 20T1.4.1Khối lượng đơn cực từ20T 19 20T1.4.2 Phản ứng của đơn cực từ trong từ trường20T 23 20T1.4.3 Phản ứng của đơn cực từ với vật chất20T 23 20T1.5 Kĩ thuật tìm kiếm đơn cực từ20T 24 20T1.5.1 Máy dò cảm ứng siêu dẫn20T 24 20T1.5.2 Máy dò ion hóa20T 25 20T1.5.3 Máy dò dấu vết hạt nhân (NTD)20T 27 20TCHƯƠNG 2: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ TRONG TỰ NHIÊN20T 30 20T2.1 Đơn cực từ GUT20T 30 20T2.1.1 các giới hạn tìm kiếm trong vật lý thiên văn và vũ trụ.20T 31 20T2.1.2 Tìm kiếm đơn cực từ bị giữ trong vật chất20T 32 20T2.1.3 tìm kiếm đơn cực từ trong các bức xạ vũ trụ20T 33 20T2.2 Một thể hiện của đơn cực từ trong môi trường vật chất đông đặc20T 40 20TCHƯƠNG 3: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ TRONG MÁY GIA TỐC20T 46 20T3.1 Lý thuyết tạo ra đơn cực từ trong máy gia tốc và tính toán các mặt cắt20T 48 20T3.2 Mô hình thí nghiệm gián tiếp:20T 52 20T3.3 Mô hình thí nghiệm trực tiếp:20T 55 20T3.4 Thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ ở tương lai20T 58 20T3.4.1 Thí nghiệm MoDAL tại LHC [19]20T 58 20T3.4.2 Dự tích tìm kiếm các đơn cực từ tại Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) [20]20T 59 20TKẾT LUẬN20T 61 20TTÀI LIỆU THAM KHẢO20T 62 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GUT: Lý thuyết thống nhất lớn ( the Grand Unification Theories) SQUID: máy dò cảm ứng siêu dẫn (Superconducting Quantum Interference Device) NTD: máy dò dấu vết hạt nhân (Nuclear Track Detector) LỜI MỞ ĐẦU Kiến thức thông thường về điện từ học cho chúng ta biết một nam châm bao giờ cũng có một cực bắc và một cực nam, điện tích sinh ra điện trường còn từ trường là do điện tích chuyển động sinh ra. Tuy nhiên nếu xét trên phương diện đối xứng điện từ thì tại sao lại không tồn tại các hạt từ tích là nguồn của từ trường tương ứng với điện tích là nguồn của điện trường và tại sao lại chỉ tồn tại những hạt điện tích hoặc dương hoặc âm mà không tồn tại những hạt từ tích hoặc bắc hoặc nam? Đơn cực từ được đưa ra như những hạt giả thuyết trong vật chất. Sự tồn tại của từ tích hay đơn cực từ mang một ý nghĩa rất lớn trong khoa học. Sự tồn tại này không những không vi phạm bất kỳ định luật vật lý nào mà còn làm cho hệ phương trình Maxwell đối xứng. Năm 1931 Paul Dirac đã đưa ra lý thuyết lượng tử về đơn cực từ và giải quyết được bài toán sự lượng tử hóa của điện tích. Một vài lý thuyết quan trọng cũng đã được xây dựng dựa trên niềm tin về sự tồn tại của đơn cực từ như lý thuyết thống nhất lớn, thuyết dây, thuyết M…và sẽ là một bước tiến lớn trong khoa học nếu chứng minh được sự tồn tại đó. Nếu thành công thì các sách vật lý từ cấp đại học đến trung học đều phải sửa lại. Việc khám phá ra đơn cực từ điện tử sẽ mở ra một tương lai hoàn toàn mới cho ngành vật liệu học và công nghệ nếu các nhà khoa học có thể tạo ra một số lượng lớn. Các đơn cực từ có thể làm cho vật liệu đủ mạnh để trụ vững trong một vụ nổ hạt nhân và còn có thể cho phép bay bằng từ. Với những ý nghĩa nêu trên, việc truy tiềm những bằng chứng thật sự về sự tồn tại của đơn cực từ đã trở thành một vấn đề thời sự. Từ sau bài báo của Dirac xuất bản năm 1931 cho đến nay việc tìm kiếm đơn cực từ đã trở nên rất sôi động nhưng kết quả vẫn là số không, người ta tìm kiếm các đơn cực từ với các phòng thí nghiệm trên mặt đất, dưới lòng đất, trên các vệ tinh, trong các lớp đất đá, thiên thạch, đá mặt trăng, nước biển và trong tất cả các máy gia tốc ở tất cả các vùng năng lượng mới, đặc biệt với máy gia tốc LHC vừa mới đưa vào hoạt động vào năm 2009 với mức năng lượng chưa từng có hứa hẹn sẽ có nhiều khám mới trong thí nghiệm MoDAL do nhóm nghiên cứu trường đại học Alberta dự kiến đưa vào thực hiện vào cuối năm 2011. Vào năm 2009 những chuẩn hạt đơn cực từ đã được phát hiện trong tinh thể băng spin và vào tháng 10 năm 2010 các nhà khoa học đã công bố ảnh chụp các dây Dirac trong băng spin. Tuy đây chỉ là những giả đơn cực nhưng có thể là kim chỉ đường để phát hiện ra các đơn cực từ thực thụ. Đơn cực từ đã trở thành một đề tài hấp dẫn của nhiều nhóm nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm trên khắp thế giới bởi tính thời sự nó. Tuy nhiên ở Việt Nam chỉ có một số ít các nhóm nghiên cứu về đề tài này, việc nghiên cứu chủ yếu là về lý thuyết và vẫn chưa có một tài liệu nào khái quát hóa các kiến thức của đơn cực từ đặc biệt là về thực nghiệm tìm kiếm. Bài luận văn của tôi với mục đích hệ thống hóa các kiến thức cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm của đơn cực từ một cách đơn giản, dễ hiểu và lý thú để phục vụ cho đối tượng sinh viên và học sinh muốn tìm hiểu về đề tài này. Đơn cực từ được nghiên cứu trong nhiều không gian nhiều chiều khác nhau nhưng trong phạm vi của một luận văn tốt nghiệp tôi chỉ chọn tìm hiểu về đơn cực từ trong không gian ba chiều. Phương pháp được sử dụng trong bài luận văn là tổng hợp và phân tích tài liệu, đầu tiên tôi thu thập tất cả các tài liệu liên quan đến đơn cực từ sau đó chỉ chọn sử dụng các tài liệu về đơn cực từ trong không gian ba chiều, chủ yếu tập trung vào các bài báo của Dirac, các báo cáo của các phòng thí nghiệm về đơn cực từ và các tài liệu mang tính tổng quát về một số khía cạnh khác nhau của đơn cực từ, sau khi đọc và phân tích tôi tìm thêm một số tài liệu liên quan. Bài luận văn của tôi thể hiện các nội dung về sự hình thành của lý thuyết đơn cực từ và các tính chất của đơn cực từ, các động lực để tìm kiếm đơn cực từ và những kỹ thuật để tìm kiếm đơn cực từ, hệ thống, phân loại và phân tích các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ. Bài luận văn của tôi được chia thành ba chương chính không kể phần mở đầu và kết luận. Chương 1: “ lý thuyết đơn cực từ” tôi trình bày ngắn gọn tất cả các vấn đề cơ bản của đơn cưc từ bao gồm lịch sử đơn cực từ, lý luận của Dirac về sự tồn tại của đơn cực từ, những động lực thúc đẩy việc tìm kiếm đơn cực từ bao gồm sự lượng tử hóa của điện tích, hệ phương trình Maxwell đối xứng và sự hiện diện của đơn cực từ trong các lý thuyết khác nhưng ở đây tôi chỉ tập trung vào một lý thuyết duy nhất là lý thuyết thống nhất lớn. Trong chương này tôi còn trình bày các tính chất của đơn cực từ, từ những tính chất này người ta đã xây dựng các kỹ thuật dò tìm khác nhau. Giúp bạn đọc cái nhìn tổng quan về đơn cực từ, tầm quan trọng của việc tìm kiếm đơn cực từ và hiểu được các bố trí thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ được trình bày ở hai chương tiếp theo. Việc tìm kiếm đơn cực từ được chia thành 3 phần: trong chương 2 tôi trình bày phần thứ nhất là tìm kiếm các đơn cực từ trong tự nhiên hình thành trong giai đoạn ban đầu của vũ trụ theo lý thuyết thống nhất lớn (GUT) gọi là đơn cực từ GUT và phần thứ hai là tìm kiếm một dạng đơn cực từ trong môi trường vật chất đông đặc. Trong chương 3 tôi trình bày phần thứ ba là tìm kiếm các đơn cực từ sinh ra trong máy gia tốc. Trong hai chương này tôi không trình bày cụ thể tất cả các thí nghiệm mà chỉ trình mô hình tổng quát sau đó phân tích một vài thí dụ để người đọc hiểu rõ hơn về cơ chế của thí nghiệm. CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT ĐƠN CỰC TỪ 1.1 Lịch sử đơn cực từ Năm 1931 Paul Dirac đưa ra giả thiết rằng thế giới không chỉ có điện tích, mà còn có cả “từ tích”. Từ tích, hay còn gọi là đơn cực từ, là nguồn của từ trường. Bình thường một nam châm bao giờ cũng có cực bắc và cực nam.Ta cứ tưởng tượng có thể tách hai cực của nam châm ra khỏi nhau, thì hai phần đó là hai đơn cực từ. Đơn cực từ chỉ mang một cực, hoặc là bắc, hoặc là nam, cũng như điện tích có thể dương, có thể âm. Hình 1.1: Mô phỏng hai cực của nam châm bị tách ra thành hai đơn cực từ Cho đến tận ngày nay đơn cực từ vẫn là một trong những vấn đề cơ bản gây nhiều tranh cãi và chưa được giải quyết trong vật lý. Vấn đề này có một lịch sử rất dài. Từ thế kỷ thứ VII TCN loài người đã biết đến các hiện tượng điện từ, từ thế kỷ thứ VIII đã biết đến nam châm vĩnh cữu. Vào năm 1269 Petrus Peregrinus đã quy ước các cực của nam châm gồm có cực bắc và cực nam. Ở thế kỷ XVII khi nghiên cứu về các hiện tượng điện và từ người ta xem đây là hai lĩnh vực khác nhau và không liên quan gì đến nhau. Đến thế kỷ XVIII các nhà khoa học đều đồng ý với nhau là có chất điện và chất từ. Đến khi Oersted phát hiện ra sự tương tác của dòng điện lên kim nam châm thì điện và từ được xem là hai lĩnh vưc có liên hệ chặt chẽ với nhau. Khi so sánh các hiện tượng trong hai lĩnh vực này ta sẽ nhận thấy những nét đối xứng tương đồng. Như ta đã biết trong tự nhiên tồn tại hai loại điện tích có những vật chỉ mang điện tích dương, có những vật chỉ mang điện tích âm và cũng có những vật mang cả hai loại điện tích một cách tách biệt, một đầu mang điện tích âm còn đầu kia mang điện tích dương. Ta có thể xem đó như một lưỡng cực điện. So sánh với lưỡng cực điện, ta có thể coi những nam châm có hai cực là những lưỡng cực từ, hai cực của nam châm chứa hai từ tích khác nhau, tương tự như điện tích dương và âm của lưỡng cực điện. Ta có thể nhận thấy cách hành sử của lưỡng cực điện giống hệt như một thanh nam châm cùng cực thì đẩy nhau khác cực thì hút nhau. Không những thế, năm 1788 Coulomb đã thiết lập định luật lực tương tác vuông góc [...]... Sự chuyển đổi này tạo ra các đơn cực từ với khối lượng ở cấp 1010 GeV Các đơn cực P còn lại sau lạm phát là ổn định với từ tích 2 P Các đơn cực này không xúc tác phân rã nucleon Cấu trúc đơn cực từ trung cấp tương tự như đơn cực từ GUT nhưng lỗi trung tâm lớn hơn 1.4 Đặc tính của đơn cực từ 1.4.1Khối lượng đơn cực từ Khối lượng đơn cực từ được ước lượng trong nhiều lý thuyết khác nhau Nhưng vẫn chưa... nucleon Sự tương tác của hạt nhân đơn cực GUT với một nucleon có thể dẫn đến phản ứng phân rã nucleon (xúc tác đơn cực của phân rã nucleon) 1.5 Kĩ thuật tìm kiếm đơn cực từ Dựa vào các tính chất của đơn cực từ người ta đã xây dựng các kỹ thuật tìm kiếm khác nhau Các máy dò được sử dụng để tìm kiếm đơn cực từ dựa vào sự cảm ứng và sự ion hóa Có ba lạoi máy dò đơn cực cơ bản như sau [7] 1.5.1 Máy dò... được từ sao lùn trắng, sao neutron, và các hành tinh của sao Mộc Dựa vào mặt cắt xúc tác và các kịch bản chi tiết như mật đơn cực từ tích tụ giảm xuống bao nhiêu do sự hủy diệt đơn cực- phản đơn cực và các đơn cực từ đã tích tụ trong các sao nguyên thủy tồn tại trong các suy sụp của nó là sao lùn trắng và sao neutron Các giới hạn thông lượng đơn cực từ thu được theo cách này là 2.1.2 Tìm kiếm đơn cực từ. .. đưa vào hoạt động năm 2009 với mức năng lượng chưa từng có Hiện tại vẫn chưa có một bằng chứng thực nghiệm nào chứng tỏ sự tồn tại của đơn cực từ Nhưng mới gần đây vào năm 2011 các nhà khoa học đã công bố là tìm thấy một giả đơn cực từ trong mội trường vật chất đông đặc Mở ra một hy vọng mới trong việc tìm kiếm các đơn cực từ thật sự 1.2 Đơn cực từ Dirac Luận điểm của Dirac về sự tồn tại của đơn cực từ. .. cực từ còn xuất hiện trong các lý thuyết thống nhất lớn GUT và nhiều lý thuyết khác như lý thuyết dây, thuyết M… Với những động lực vật lý mạnh mẽ như vậy, ngay sau khi Dirac công bố bài báo về đơn cực từ thì việc tìm kiếm đơn cực từ trở nên sôi động trong các phòng thí nghiệm cho đến tận ngày nay Người ta tìm đơn cực từ trong các tia vũ trụ, trong lớp đất đá mặt trăng và trong các tất cả các máy gia... trong cuộn dây phát hiện và đưa tín hiệu ra ngoài để phân tích Loại máy dò này nhạy cảm với bất kỳ loại đơn cực từ nào và với bất kỳ loại vận tốc đơn cực từ nào Hình 1.10: Sơ đồ máy dò siêu dẫn Dựa vào sự tương phản giữa dòng cảm ứng tạo ra bởi đơn cực từ và của lưỡng cực từ T 1 2 khi đi qua cuộn dây siêu dân mà chúng ta có thể phát hiện được đơn cực từ Các đơn cực từ gây ra một từ trường, làm sinh ra... đơn cực từ là tương đối lớn và thập chí là rất lớn nếu điện tích cơ bản là và đơn cực phụ thuộc vào trường vật chất GeV đối với trường vật chất IVB, Trong lý thuyết điện yếu khối lượng GeV đối với trường vật chất và 50GeV đối với trường vật chất có spin 1/2 Ngoài ra khối lượng đơn cực xét trên mô hình lí thuyết dây cũng liên quan đến đơn cực từ, khối lượng của đơn cực từ được dự đoán ở mức 1 TeV Đơn. .. thạch 0 PETUKHOV 63 CNTR Từ sự thiếu vắng các ứng cử đơn cực từ trong các thí nghiệm có thể kết luận tỉ lệ đơn cực/ nuleon trong các mẫu vật chất thí nghiệm với độ tin cậy là 90 2.1.3 tìm kiếm đơn cực từ trong các bức xạ vũ trụ Tìm kiếm trực tiếp các đơn cực từ trong các tia vũ trụ được thực hiện với các thiết bị T 1 2 dò như thiết bị cảm ứng siêu dẫn và các NTD Gần đây các thí nghiệm tận dụng các lớp... lương đơn cực là • Giới hạn thông lượng đơn cực từ từ các ngôi sao lập di T 1 2 T 1 2 T 1 2 và các ẩn tinh Các sao lập dị T 1 2 Một đơn cực từ với T 1 2 có từ trường T 1 2 T 1 2 T 1 2 G có chiều ngược với moment quay của chúng T 1 2 T 1 2 sẽ dừng lại trong các ngôi sao ; do đó số lượng các đơn cực T 1 2 T 1 2 từ tăng lên theo thời gian nếu bỏ qua sự hủy diệt đơn cực – phản đơn cực trong sao Các đơn cực. .. trong từ trường Đơn cực từ chuyển động trong từ trường sẽ đạt được mức năng lượng là từ tích, B là từ trường và kết dài , , với là chiều dài của vùng từ trường Trong một thiên hà gắn đơn cực từ với có thể thu được năng lượng là GeV Các đơn cực cổ điển có thể được gia tốc đến vận tốc tương đối trong các chùm tia vũ trụ Đơn cực GUT sẽ phải có vận tốc thấp Với các nam châm thí nghiệm hiện đại đơn cực từ . thành của lý thuyết đơn cực từ và các tính chất của đơn cực từ, các động lực để tìm kiếm đơn cực từ và những kỹ thuật để tìm kiếm đơn cực từ, hệ thống,. 20TCHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT ĐƠN CỰC TỪ20T 7 20T1.1 Lịch sử đơn cực từ2 0T 7 20T1.2 Đơn cực từ Dirac20T 10 20T1.3 Những động lực vật lý để tìm kiếm đơn cực từ2 0T