Kỹ Thuật - Công Nghệ - Báo cáo khoa học, luận văn tiến sĩ, luận văn thạc sĩ, nghiên cứu - Khoa học tự nhiên 1 VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 1. Lịch sử hạt cơ bản - Khái niệm hạt cơ bản là gì? Khái niêm hạt cơ bản (còn gọi là hạt sơ cấp) liên quan đến tính rời rạc trong cấu trúc vật chất ở mức độ vi mô, có thể nói là thang bậc tiếp theo sau chuỗi các đối tượng phân tử, nguyên tử, hạt nhân. Thật ra tên gọi của hạt cơ bản ngày nay đã không được hiểu theo nghĩa đen của từ đó, mà chỉ còn mang tính lịch sử. Do kích thước của đối tượng nghiên cứu cũng như do điều kiện năng lượng để tiến hành nghiên cứu, môn vật lý hạt cơ bản còn được gọi là vật lý năng lượng cao, hay vật lý dưới hạt nhân (subnuclear). Năng lượng đặc trưng hiện nay là Giga- electron-volt (GeV)=109 eV, tương ứng với khoảng cách ~ 10-14 cm = 10-1 fermi. Trong tương lai không xa năng lượng sẽ được nâng lên cỡ TeV=103 GeV. Để so sánh ta hãy nhớ lại năng lượng liên kết trong hạt nhân nguyên tử chỉ vào cỡ 8MeV=8.106 eV. ĐN: Các hạt vi mô (hay vi hạt), những hạt có kích thước vào cỡ kích thước hạt nhân trở xuống, như: photon (y), electron (e - ),pozitron (e+ ), proton (p), neutron (n), neutrino (v) . Khi khảo sát quá trình biến đổi của những hạt đó, ta tạm thời không xét đến cấu tạo bên trong của chúng. Các vi hạt đó được gọi là các hạt cơ bản. - Sự xuất hiện của các hạt cơ bản mới. Hạt cơ bản đầu tiên được tìm thấy là electron e- (Thomson, 1897): sau khi nghiên cứu kĩ tính chất của tia âm cực. Thomson đã khẳng định rằng tia này chính là chùm các hạt mang điện tích âm giống nhau – đó là các hạt e - . Trước đó, vào năm 1900 Planck khi nghiên cứu hiện tượng bức xạ của vật đen tuyệt đối đã đưa ra khái niệm lượng tử ánh sáng (sau này được gọi là photon ), và vào năm 1905 Einstein đã vận dụng khái niệm này và giải thích thành công hiệu ứng quang điện. Thí nghiệm trực tiếp chứng tỏ sự tồn tại của photon đã được tiến hành bởi Millikan vào những năm 1912-1915 và Compton vào năm 1922. Năm 1911 Rutherford đã khám phá ra hạt nhân nguyên tử và sau đó (năm 1919) đã tìm thấy trong thành phần hạt nhân có hạt proton p với khối lượng bằng 1840 lần khối lượng electron, và điện tích dương về mặt trị số đúng bằng điện tích electron. Thành phần khác của hạt nhân, hạt neutron n, được Heisenberg và Ivanenko đề xuất trên lí thuyết và đã được Chadwick tìm thấy trong thực nghiệm tương tác của hạt với nguyên tố Be vào năm 1932. Hạt n có khối lượng gần bằng hạt p, nhưng không mang điện tích. Bằng việc phát hiện ra hạt neutron n các nhà 2 vật lý đã hoàn thành việc khám phá ra các thành phần cấu tạo nên nguyên tử và do đó cấu tạo nên thế giới vật chất. Cũng cần nói thêm là trong vật lý hạt cơ bản, với tư cách là một chuyên ngành độc lập trong vật lý học, được người ta xem như bắt đầu không phải từ lúc phát hiện ra e- mà là từ việc phát hiện ra hạt neutron n. 2. Năm 1930 để giả thích sự hao hụt năng lượng trong hiện tượng phân rã Pauli đã giả thiết sự tồn tại của hạt neutrino , hạt này mãi đến năm 1953 mới thực sự được tìm thấy (Reines, Cowan). Hạt neutrino không có khối lượng, không điện tích và tương tác rất yếu với vật chất. Từ những năm 30 đến đầu những năm 50 việc nghiên cứu hạt cơ bản liên quan chặt chẽ với việc nghiên cứu tia vũ trụ. Năm 1932, trong thành phần của tia vũ trụ Anderson đã phát hiện ra hạt positron e + , là phản hạt của electron e - và là phản hạt đầu tiên được tìm thấy trong thực nghiệm. Sự tồn tại của positron e + đã được tiên đoán bằng lí thuyết bởi Dirac trước đó ít lâu, trong những năm 1928- 1931. Năm 1936 Anderson và Neddermeyer đã tìm thấy trong tia vũ trụ các hạt , có khối lượng lớn hơn khối lượng electron khoảng 200 lần, nhưng lại rất giống e - , e + về các tính chất khác. Năm 1947 cũng trong tia vũ trụ nhóm nghiên cứu của Powell đã phát hiện ra các hạt meson , có khối lượng khoảng 274 lần khối lượng electron. Hạt có một vai trò đặc biệt quan trọng trong tương tác giữa các nuclon (proton, neutron) trong hạt nhân nguyên tử và đã được Yukawa tiên đoán bằng lí thuyết từ năm 1935. 3. Cuối những năm 40 - đầu những năm 50 là giai đoạn phát hiện ra các hạt lạ, những hạt đầu tiên (meson K , hạt ) được tìm thấy trong tia vũ trụ, còn những hạt tiếp theo được tìm trong các máy gia tốc, là kết quả các quá trình tán xạ (va chạm) của các hạt p hay e - ở năng lượng cao. Từ những năm 50 trở đi các máy gia tốc là công cụ chính để nghiên cứu hạt cơ bản. Ngày nay năng lượng đạt được đã lên đến hàng trăm GeV, và trong tương lai không xa, hàng ngàn GeV (tức hàng TeV) Máy gia tốc proton p với hạt nặng vài GeV đã giúp khám phá ra các phản hạt nặng: phản proton (năm 1955), phản neutron (năm 1956), phản sigma (năm 1960), v.v... Năm 1964 người ta phát hiện ra hạt hyperon nặng nhất: hạt omega - , với khối lượng gần gấp đôi khối lượng hạt proton. Trong những năm 60 người ta còn khám phá ra rất nhiều hạt không bền gọi là các hạt cộng hưởng, với khối lượng hầu hết lớn hơn khối lượng proton. Đại bộ phận các hạt cơ bản biết được hiện nay (vào khoảng 350 hạt) là các hạt cộng hưởng. Vào năm 1962 người ta phát hiện 2 loại hạt neutrino khác nhau: loại đi kèm với electron e và loại đi kèm với hạt là . Năm 1974 hai nhóm nghiên cứu riêng rẽ do Tinh và Richter lãnh đạo tìm thấy hạt Jpsi, có khối lượng khoảng 3-4 lần khối lượng proton và thời gian sống đặc biệt lớn hơn hạt cộng hưởng. Hạt này mở đầu cho một họ hạt mới - các hạt duyên - được phát hiện lần lượt kể từ năm 1976. Năm 1977, lại một hạt mới nữa, hạt upsilon Y, với khối lượng bằng cả chục lần khối lượng proton, khởi đầu cho họ các hạt đẹp được tìm thấy từ năm 1981. 3 Trước đó, vào năm 1975 người ta đã tìm thấy hạt , với tính chất rất giống hạt e, nhưng khối lượng lớn hơn nhiều. Sau đó ít lâu, loại neutrino thứ ba đi với nó, hạt . Mới đây nhất, vào năm 1983 tại phòng thí nghiệm CERN người ta đã tìm thấy các hạt boson vector trung gian W , Z dự kiến bởi lí thuyết trước đó ít lâu. Các hạt này có vai trò tương tự hạt photon , nhưng lại có khối lượng rất lớn, gấp cả trăm lần khối lượng proton. 2. Phân loại hạt cơ bản Hạt vật chất: + Dựa vào độ lớn của khối lượng và dựa vào đặc tính tương tác, các hạt cơ bản được phân thành các loại sau đây: a. Photon b. Lepton: Các hạt lepton (các hạt nhẹ) khối lượng từ 0 đến 200 m e . Không tham gia tương tác mạnh, chỉ tham gia tương tác yếu, điện từ, hấp dẫn. Chúng gồm 2 loại: Lepton mang điện ),,( e và lepton trung tính (neutrino ,,e ) chỉ tham gia tương tác yếu. c. Hadron: Khối lượng trên 200 m e , tham gia tương tác mạnh chủ yếu gồm 2 loại: Meson (π, Kaon K,...): khối lượng trên 200 me nhưng nhỏ hơn khối lượng nuclon; Baryon ,....),,,,( np + Phân loại theo spin: Boson: các hạt có spin nguyên tuân theo thống kê Bose - Einstein. Fermion: các hạt có spin bán nguyên tuân theo thống kê Fermi - Dirac. Hạt trường: truyền tương tác gồm: gAZG ,,,W, 0 3. Các đặc trưng của hạt cơ bản 3.1 Khối lượng: Mỗi hạt đều có khối lượng nghỉ m0 xác định, trừ hạt photon có khối lượng nghỉ bằng không. Khối lượng thường được diễn tả qua đơn vị năng lượng (MeVc 2 , GeVc 2 ). Chẳng hạn electron có me=0,511MeVc 2 , proton có mp =938,3MeVc2 . Riêng các hạt neutrino thì trước đến nay vẫn được xem là không có khối lượng, nhưng trong các lí thuyết hiện nay lại có nhiều lập luận là cho thấy hạt có thể và trong một số trường hợp phải có khối lượng. Thực nghiệm cũng không chống lại lập luận này. Tuỳ theo khối lượng mà người ta chia làm 3 loại hạt cơ bản: - Hạt nhẹ (lepton), ví dụ: me = 0,511MeVc 2 - Hạt nặng (barion), ví dụ: mp = 938,3 MeVc 2 , mn = 939,6MeVc 2 - Hạt trung gian (meson), ví dụ: π m =139,6MeVc 2 , 0 π m = 135MeVc 2 Người ta nhận thấy khối lượng có vẻ phụ thuộc vào điện tích, cụ thể là các hạt giống nhau về mọi mặt nhưng có điện tích khác nhau thì khối lượng cũng khác nhau, chẳng hạn như: 4 mp - mn = 938,3 – 939,6 = -1,3MeVc 2 0 ππ mm = 139,6 – 135 = 4,6MeVc 2 Tuy nhiên, quy luật của sự phụ thuộc này không rõ ràng, hay nói rộng hơn, người ta chưa biết rõ quy luật phân bố của khối lượng các hạt cơ bản và không biết có tồn tại một lượng tử khối lượng hay không. Khối lượng là điều kiện để có tương tác hấp dẫn. 3.2 Điện tích: Các hạt cơ bản được biết cho đến nay hoặc không tích điện, hoặc có điện tích là bội số nguyên (âm hoặc dương) của điện tích nguyên tố e=1,6.10-19 C giữ vai trò lượng tử điện tích, cụ thể: Q= 0, 1, 2. Điện tích của phản hạt thì trái dấu với điện tích của hạt. Điện tích của các hạt là điều kiện để chúng tham gia tương tác điện từ. 3.3 Thời gian sống: Tuỳ theo thời gian tồn tại của các hạt cơ bản mà người ta phân thành các loại như sau: - Hạt bền : thời gian sống thực tế là vĩnh viễn do các hạt không tự phân rã hay phân rã rất chậm. Ví dụ: photon có =, proton với 10 30 s, electron có 1022 s … - Hạt gần bền: bị phân rã do tương tác điện từ và tương tác yếu với thời gian sống >10 -20 s (đối với neutron tự do = 932s) - Hạt không bền (hạt cộng hưởng) : bị phân rã do tương tác mạnh với thời gian đặc trưng là