M? Ð?U Tìm hiểu hạt Nơtrinô Nguồn thuvienvatly com MỞ ĐẦU Nơtrinô là hạt bí ẩn nhất trong số các hạt mà ta biết được trong vũ trụ chúng cũng là những hạt ít được biết đến nhất Nó luôn cho ta nhiều bất[.]
Tìm hiểu hạt Nơtrinơ Nguồn: thuvienvatly.com MỞ ĐẦU Nơtrinơ hạt bí ẩn số hạt mà ta biết vũ trụ chúng hạt biết đến Nó ln cho ta nhiều bất ngờ Các tiên đoán tồn hạt bí ẩn phương diện lý thuyết Wolfgang Pauli công bố từ năm 1930 đến 25 năm sau, năm 1956, nhóm nghiên cứu nhà bác học Clyde Cowan ghi nhận tồn hạt thực nghiệm Sau phát hạt bí ẩn này, nhà vật lý dành nhiều thời gian để nghiên cứu tính chất, đặc điểm ứng dựng hạt nơtrinô Hạt nơtrinô không ứng dụng quan sát q trình phóng xạ mà tác nhân quan trọng giúp cho nhà thiên văn vật lý quan sát nhân mặt trời Mặt Trời xạ vô số nơtrinô, sinh phản ứng nhiệt hạch lịng Các nơtrinơ sinh lọai, trình di chuyển đến Trái Đất, chúng lại biến qua hai loại cách bí ẩn Hơn nữa, việc thu nhận xạ từ ngồi vũ trụ (trong có nơtrinơ) nguồn nghiên cứu nhà bác học nhằm tìm hiểu lịch sử hình thành vũ trụ khám phá thêm bí ẩn sống Gần đây, số nghiên cứu công bố số khám phá hạt nơtrinô Cụ thể nơtrinơ có khối lượng khơng phải khơng khối lượng tiên đốn Các nơtrinơ có khối lượng, hạt nơtrinơ nặng phần triệu khối lượng hạt tích điện nhẹ Việc neutrino có khối lượng nhỏ chúng nhận khối lượng từ quy luật vật lý cịn chưa biết, liên quan đến lực thống Việc khảo sát chi tiết tính chất hạt nơtrinơ - khối lượng, cách thức chúng biến từ lọai qua loại kia, chúng có phải phản hạt khơng, v.v… - cho ta biết nơtrinơ có phải hạt vật chất thông thường không, hay lại khác Như vậy, ngành vật lý có thêm hướng có thêm nhiệm vụ mới, giải thích tồn khối lượng hạt mơ hình vũ trụ Ngồi ra, Các nhà khoa học cần suy tính tới việc q trình vật lý trước có thay đổi hay khơng xuất hạt nơtrinơ có khối lượng? Trong tiều luận này, việc nghiên cứu hạt nơtrinô nhằm mục đích có thêm nhiều thơng tin hạt Do đó, tiểu luận bao gồm nội dung sau đây: - Lịch sử khám phá hạt nơtrinô - Các đặc tính hạt nơtrinơ - Các nguồn phát nơtrinô chủ yếu - Việc thu nhận hạt nơtrinô phịng thí nghiệm thề giới I. Lịch sử khám phá hạt nơtrinô 1. Giai đoạn trước nơtrinô Lịch sử khám phá hạt nơtrinô gắn liền với q trình phóng xạ trước hết cần điểm qua vài móc lịch sử trước người tìm nơtrinô Năm 1896 Henri Becquerel phát tượng phóng xạ từ muối Urani, sau vợ chồng nhà bác học Pierre Marie Curie tách Radi nguyên chất, nguyên tố phóng xạ mạnh Urani Năm 1899 Rutherford có hai loại phóng xạ alpha beta, đến năm 1900 Villard tìm loại thứ ba gọi phóng xạ gamma Năm 1902, vợ chồng Pierre Marie Curie xác nhận chum phóng xạ beta thực chất chùm electron, liên tiếp chất chùm phóng xạ alpha xác nhận hạt nhân He, phóng xạ gamma photon mang lượng lớn (vài MeV) Chùm phóng xạ beta (là electron) tiên đoán chùm electron giải phóng phải có giá trị lượng phù hợp với định luật bảo toàn Tuy nhiên, sau nghiên cứu kĩ lưỡng, nhóm khoa học Lise Meitner, Otto Hahn, Wilson and von Baeyer, James Chadwick lượng electron nằm miền liên tục Việc tiếp tục tin vào định luật bảo toàn lượng hay không vấn đề bàn cãi thời Nhà bác học Niels Bohr tin vào định luật tổng quát phải đợ đến năm 1930, Wolfgang Pauli đưa lời giải cho toán 2. Giai đoạn 1930 – 1940: khai sinh nơtrinô Hiện tại, biết hạt nơtrinơ có 15 tỉ năm trước, sau vũ trụ đời Từ lúc đó, vũ trụ lien tục giãn nở, lạnh nơtrinô bắn theo hướng Về phương diện lý thuyết, nơtrinô nhiều chúng tham gia cấu thành xạ vũ trụ (nhiệt độ khoảng 1.9K) Ngồi hạt nơtrinơ khác sinh hay vụ nỗ Tuy nhiên, ý tưởng nơrinô xuất vào năm 1930, Pauli sức bảo vệ định luật bảo toàn lượng Ngày tháng 12 năm 1930, hội thảo Tubingen, Pauli đọc tham luận có nêu ý tưởng hạt Năm 1932, J Chadwick phát hạt nơtron, nhiên nơtron nặng khong phù hợp với tiên đoán Pauli Năm 1933, hội nghỉ Bruxelles, Pauli mô tả hạt sau: “Khối lượng chúng nhẹ nhiều lần khối lượng electron Để phân biệt với hạt nơtron, ông Fermi đề nghị gọi nơtrino (neutrinos) Khối lượng chúng cị thề khơng, tơi spin 1/2 Chúng ta khơng biết tương tác chúng với hạt vật chất khác với photon Giả thiết chúng có momen từ.” Năm 1933, F.Perrin khối lượng nơtrinô phải nhỏ nhiều khơi lưởng electron Trong năm đó, Anderson khám phá hạt positron, phản hạt vật chất Dirac tiên đoán lý thuyết Khám phá làm cho lý thuyết nơtrinô Pauli Fermi thêm đảm bảo Cuối năm 1933, Frederic Joliot-Curie phát phóng xạ beta cộng (phát positron), Enrico Fermi dùng già thiết nơtrinô để xây dựng lý thuyết tượng phân rã bêta (trong tương tác yếu) Cuộc truy tìm hạt nơtrinô bắt đầu người chưa thật tâm đến Hans Bethe Rudolf Peierls tiết diện tán xạ nơtrinô với vật chất nhỏ: nhỏ tỉ lần so với tương tác electron Vì vậy, hạt nơtrnơ tương tác yếu nên xuyên qua trái đất mà không bị lệch hướng 3. Giai đoạn 1935 – 1956 Đến cuối năm 40, nhà vật lý nổ lực để quan sát tán xạ ngược nuclon suốt trình phân rả beta Tất đại lượng đo đượng phù hợp với giả thiết loại nơtrinô phát từ electron Tuy nhiên, không một phương quan sát ghi nhận xác suất tương tác nhỏ Các nhà bác học cần nguồn lớn hạt nơtrinô thiết bị thăm dò lớn, nhạy Năm 1939, Luis Alvarez cho thấy Triti (đồng vị hydro) có tính phóng xạ, đến nguồn phóng xạ beta từ Triti sử dụng cho giá trị khối lượng nơtrinô tốt Năm 1945, bom nguyên tử phát nổ nhà bác học nhận nguồn lượng đáng kể từ nơtrinô Frederick Reines, làm việc Los Alamos, trao đổi với Fermi dự án đặt máy dị nơtrinơ gần khu vực bom nổ Năm 1952, Reines gặp Clyde Cowan đồng ý sử dụng nguồn nơtrinô an toàn hơn, dự án hạt nhân Hanford, Washington Các máy thăm dò lặp tức xây dựng cho kết vào mùa hè năm 1953 Tuy nhiên, tín hiệu cho không thuyết phục Họ cố gắng thực lại thí nghiệm năm 1956 gần sông Savannah, Bắc Carolina Các cải tiến lần nhằm giảm tín hiệu cho kết mĩ mãn Các tín hiệu thấy rõ qua máy dò xạ vũ trụ Máy detecctor thí nghiệm năm 1953 4. Giai đoạn 1957 – 1962 Các nơtrinơ phóng phản ứng hạt nhận loại nơtrinô, gọi nơtrinơ electron, chúng thường kèm với electron phân rã bêta Có hay khơng loại nơtrinơ khác? Năm 1959, trường đại học Columbia, New York, bắt đầu xuất í tưởng loại nơtrinô khác T.D Lee và M Schwartz nhận thấy khả sinh chùm nơtrinô từ phân rã của pion T.D Lee và C.N Yang tính tốn tiết diện tán xạ có máy thăm dị lý tưởng cho thí nghiệm kiểm chứng số lượng tử duyên J Cronin đề xướng Năm 1960, Lee Yang chứng minh phản ứng loại khơng xảy có hai loại nơtrinơ tồn tại. Cùng thời điểm đó, máy gia tốc Brookhaven thu nhận hàng trăm ngàn nơtrinô giờ khoảng 40 hạt máy dò thu nhận 40 trường hợp ghi nhận electron, 34 hạt cịn lại ghi nhận muon Vậy nơtrinơ hạt khác chúng loại máy dò phải cho số lectron số muon 5. Giai đoạn 1963 – 1983 Khoảng năm 60 70, electron nơtrinơ sử dụng để tìm hiểu cấu trúc nuclon Những chứng cho thấy nuclon có cấu trúc quark việc tìm hạt quark liên quan mật thiết đến hạt nơtrinơ Năm 1975 1976, thí nghiệm CERN cho kết khả quan cấu trúc quark nuclon Năm 1977, nhóm Leon Lederman phát hạt quark b, hạt quark thứ ba Cũng thời gian đó, Martin Perl phát hạt tau , hạt lepton thứ ba Các nhà vật lý nhận thấy có hạt nơtrinơ tau nhưng đến năm 1998, không quan sát thực nghiệm 6. Giai đoạn 1989 – 2000 Năm 1989, sử dụng máy gia tốc CERN để nghiên cứu thời gian sống hạt Z boson có ba loại nơtrinơ tồn Năm 1992, hai thí nghiệm CERN xây dựng nhằm ghi nhận nơtrinô dao động với hi vọng thấy trong chum sinh máy gia tốc Các liệu lấy từ năm 1994 đến năm 1998 cho kết ban đầu Cũng năm 1998, thí nghiệm Nhật Bản, Super-Kamiokande, cho thấy bất thường số hạt nơtrinơ khí nơtrinơ mặt trời Kết cho dự đốn nơtrinơ có khối lượng khác khơng Đến mùa hè năm 2000, phịng thí nghiệm DONUT Fermilab cơng bố ghi nhận hạt Nghiên cứu nơtrinô va chạm proton II. Các đặc tính hạt nơtrinơ - Spin điện tích: Nơtrinơ có spin bán ngun nên hạt fermion Vì hạt lepton trung hồ điện, nên nơtrinô không tham gia tương tác mạnh tương tác điện từ, thông qua tương tác yếu hấp dẫn - Các đo đạt đặt tính hạt nơtrinơ chủ yếu dựa vào việc quan sát phân rã hạt Z boson Hạt Z phân rã loại nơtrinơ phản hạt có nhiều loại nơtrinơ hơn, có thời gian sống ngắn hạt Z Việc đo đạt thời gian sống hạt Z có loại nơtrinơ nhẹ ( nghĩa có khối lượng nhỏ 1/2 khối lượng hạt Z) Trong mơ hình chuẩn, sử tương quan quark lepton (trong có nơtrinơ) hướng nhà vật lý tới suy nghĩ có loại nơtrinô Tuy nhiên, chứng thực chất vấn đề có bai loại nơtrinơ tốn chưa có lời giải thoả đáng Fermion Kí hiệu Khối lượng Thế hệ thứ (electron) Nơtrinơ electron