Bài tập lớn vật lý 2 thế giới hạt cơ bản phản vật chất

NỘI DUNG BÁO CÁO Chương 1: Mở bài: Giới thiệu sơ qua đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết: + Các khái niệm cơ bản + Lý thuyết + Phân loại + Đánh giá Chương 3: Tương tác giữa các hạt sơ cấ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

GVHD: TS Lý Anh Tú Ths Nguyễn T.Minh Hương

0 2

thán

2022

Mục lục

CHƯƠNG 1 MỞ BÀI 3

1.1 Đề tài 3

1.2 Sơ lược về đề tài 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Các khái niệm cơ bản 4

2.2 Lịch sử phát triển 4

2.3 Phân loại 5

2.4 Phản vật chất 11

CHƯƠNG 3 TƯƠNG TÁC CỦA CÁC HẠT SƠ CẤP 13

3.1 Tổng quan về các lực tương tác giữa các hạt cơ bản 13

CHƯƠNG 4 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT CƠ BẢN 17

4.1 Khối lượng 17

4.2 Điện tích 17

4.3 Thời gian sống 17

4.4 Đối hạt (Phản hạt) 18

4.5 Spin 18

4.6 Baryon tích 19

4.7 Lepton tích 19

3.8 Spin đồng vị (Isospin) 20

3.9 Số lạ 20

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG VÀ SẢN XUẤT PHẢN VẬT CHẤT 21

5.1 Ứng dụng của phản vật chất 21

5.2 Sản xuất phản vật chất 23

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 24

6.1 Két luận 24

6.2 Ý nghĩa của hạt cơ bản trong việc đi tìm bản chất vũ trụ 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

TÓM TẮT BÀI TẬP LỚN

Bài làm được các thành viên trong nhóm thực hiện cùng nhau Vì những hạt cơ bản là những hạt nhỏ nhất cấu thành lên vạn vật trong vũ trụ Với mong muốn tìm hiểu rõ thông tin về các hạt cũng như phản vật chất nên nhóm đã làm báo cáo này

NỘI DUNG BÁO CÁO

Chương 1: Mở bài: Giới thiệu sơ qua đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết:

+ Các khái niệm cơ bản

+ Lý thuyết

+ Phân loại

+ Đánh giá

Chương 3: Tương tác giữa các hạt sơ cấp

Chương 4: Các đặc trưng cơ bản của hạt

ta vào mô hình hóa thế giới lượng tử từ những thứ nhỏ nhất, các hạt hạ nguyên tử Cóphải là những ngọn núi, những dòng sông, cây cối, thú vật và con người, tất cả đều

được làm từ những nguyên tử? Và về ý thức là gì? Có phải nó cũng được làm từnhững nguyên tử? Và đó cũng là mục đích chính của bài báo cáo này

1.2 Sơ lược về đề tài

+ Giới thiệu chung về thế giới hạt cơ bản, thứ cấu thành nhỏ nhất trong vũ trụ + Các thuyết tương tác giữa các hạt cơ bản

+ Tìm hiểu rõ tính chất của các hạt cơ bản

+ Định nghĩa về hạt quark

+ Phân loại thế giới hạt cơ bản

Ý nghĩa thực thi của phản vật chất cững như cưng cấp nhưng bằng chứng về sựhiện diện của chúng

Nguyên tử không phải hạt nhỏ nhất, nó được cấu tạo bởi một hạt nhân trung tâm vàcác electron chuyển động xung quanh trên quĩ đạo có năng lượng xác định Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi các hạt baryon gồm 2 loại là proton và neutron

Trong thế giới vật lý, các hạt hạ nguyên tử để mô tả cấu trúc của vật chất nhỏ hơn Trong trường hợp này, nguyên tử là một phần của những cấu trúc này và chúng là những cấu trúc xác định tính chất của nó Các hạt hạ nguyên tử có thể có nhiều loại và

có tầm quan trọng lớn đối với việc tìm hiểu vật chất

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các khái niệm cơ bản

Hạt cơ bản (Elementary particle) là những hạt vật chất được coi là nhỏ nhất cấu

tạo nên vũ trụ, gồm cả các hạt trực tiếp cấu thành vật chất và những hạt truyền tươngtác Thế nào là hạt nhỏ nhất? Đó là các hạt phải đạt yêu cầu cơ bản là không thể phân

chia thêm Giống như xây một ngôi nhà bằng các viên gạch thì các viên gạch được coi

là cơ bản, không ai ghép các mẩu nhỏ hơn không phải gạch để thành gạch cả

Khái niệm hạt cơ bản liên quan đến tính rời rạc trong cấu trúc vật chất ở cấp độ vi

mô, có thể nói là là thang bậc tiếp theo sau chuỗi các đối tượng phân tử, nguyên tử, hạtnhân Do kích thước của đối tượng nghiên cứu cũng như điều kiện năng lượng để tiếnhành nghiên cứu, môn vật lý hạt cơ bản còn được gọi là vật lý năng lượng cao

Các hạt vi mô (hay vi hạt), những hạt kích thước vào cỡ kích thước hạt nhân trởxuống 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 tạobên trong của chúng Các vi hạt đó được gọi là các hạt cơ bản

Phản vật chất được biết đến là một trong những thuật ngữ của vật lý học Nó đượchình thành từ những loại hạt cơ bản như phản electron, phản neutron… Trong mộtphản ứng vật chất những phản hạt antiparticle sẽ gồm các hạt có khối lượng tươngđương nhau Thế nhưng chúng lại khác dấu với những hạt cơ bản mà con người đãtừng biết trước đó Giống như phản electron hay positron sẽ có cùng khối lượng vớielectron nhưng lại mang điện tích dương

2.2 Lịch sử phát triển

Hạt cơ bản đầu tiên được tìm thấy là electron e- (Thomson, 1897): sau khi nghiêncứu kĩ tính chất của tia âm cực Thomson đã khẳng định rằng tia này chính là chùmcác hạt mang điện tích âm giống nhau – đó là các hạt e-

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 1905Einstein đã vận dụng khái niệm này và giải thích thành công hiệu ứng quang điện Thínghiệm trực tiếp chứng tỏ sự tồn tại của photon đã được tiến hành bởi Millikan vàonhững 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 tíchelectron

Năm 1930 để giả thích sự hao hụt năng lượng trong hiện tượng phân rã  Pauli đãgiả thiết sự tồn tại của hạt neutrino , hạt này mãi đến năm 1953 mới thực sự được tìmthấy (Reines, Cowan) Hạt neutrino không có khối lượng, không điện tích và tương tácrất yếu với vật chất

Từ những năm 30 đến đầu những năm 50 việc nghiên cứu hạt cơ bản liên quanchặt chẽ với việc nghiên cứu tia vũ trụ Năm 1932, trong thành phần của tia vũ trụAnderson đã phát hiện ra hạt positron e+, là phản hạt của electron e-và là phản hạt đầutiên được tìm thấy trong thực nghiệm Sự tồn tại của positron e+ đã được tiên đoánbằng lí thuyết bởi Dirac trước đó ít lâu, trong những năm 1928- 1931

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 lượnggần gấp đôi khối lượng hạt proton

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 Cáchạt này có vai trò tương tự hạt photon , nhưng lại có khối lượng rất lớn, gấp cả trămlần khối lượng proton

2.3 Phân loại

Các hạt cơ bản được chia làm 2 nhóm chính là fermion (các hạt tạo nên vật chất trong vũ trụ) và boson (các hạt truyền tương tác – cụ thể là 4 loại tương tác cơ bản )

Hình 1: Phân loại hạt cơ bản trong vật lý hạt

• Hạt vật chất: Dựa vào độ lớn của khối lượng và dựa vào đặc tính tương tác, cáchạt cơ bản được phân thành các loại sau đây:

a) Photon: một hạt cơ bản đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ và ánh sáng cũng như mọi dạng bức xạ điện từ khác Nó cũng là hạt tải lực của lực điện từ Cáchiệu ứng của lực điện từ có thể dễ dàng quan sát ở cả thang vi mô và vĩ mô do photon không có khối lượng nghỉ; và điều này cũng cho phép các tương tác cơ bản xảy ra được ở những khoảng cách rất lớn

Hình 2: Các hạt photon được phát ra bởi chùm tia laze màu lục lam phía bên ngoài

b) Lepton: Nhóm lepton gồm 12 hạt có pin bán nguyên không tham gia tương tác mạnh:

Điện tử và Positron, Muyon và phản Muyon, Tauon và phản Tauon, 3 hạt Neutrion

khối lượng từ 0 đến 200 me 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

Tên Ký hiệu Phản hạt Điện tích e Khối lượng ( MeV/c 2 )

Bảng 1: Bảng tổng quan về lepton

Hình 3: Các lepton tham gia vào một số quá trình như phân rã beta

c) Hadron: là một hạt tổng hợp được tạo thành từ các quark được giữ bởi lực mạnhtheo cách tương tự như các phân tử được giữ bởi lực điện từ Hadron được phânloại thành hai họ: baryon, được tạo thành từ ba quark; và meson, làm bằng mộtquark và một antiquark Khối lượng trên 200 me , tham gia tương tác mạnh chủ yếugồm 2 loại: + Messon ( 𝜋, Kaon K,…): khối lượng trên 200 me nhưng nhỏ hơn khốilượng nuclon

+ Baryon ( p,n,,,, )

- 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

Quark là một loại hạt cơ bản sơ cấp và là một thành phần cơ bản của vật chất Cácquark kết hợp với nhau tạo nên các hạt tổ hợp còn gọi là các hadron, với những hạt ổnđịnh nhất là proton và neutron – những hạt thành phần của hạt nhân nguyên tử Domột hiệu ứng gọi là sự giam hãm màu, các quark không bao giờ được tìm thấy đứngriêng rẽ; chúng chỉ có thể tìm thấy bên trong các hadron Các quark có rất nhiều tínhchất nội tại, bao gồm điện tích, màu tích, spin, và khối lượng Các quark là những hạt

cơ bản duy nhất trong mô hình chuẩn của vật lý hạt đều tham gia vào bốn tương tác cơ

bản (điện từ, hấp dẫn, mạnh, và yếu), cũng như là các hạt cơ bản có điện tích khôngphải là một số nguyên lần của điện tích nguyên tố Đối với mỗi vị quark có tương ứngvới một loại phản hạt, gọi là phản quark, mà chỉ khác với các quark ở một số tính chất

có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu

Hình 4: Sáu hạt trong mô hình chuẩn là các quark (tím)

Tên Ký hiệu Phản hạt Điện tích e Khối lượng ( MeV/c 2 )

Spin Khối

lượng (GeV/c2)

Trung giantương tác

→ Tất cả những hạt nêu trên còn có một số kết hợp khác nữa để tạo thành một số loại hạtkhác, mặt khác các sự kết hợp đó cũng đương nhiên không được tính là hạt cơ bản, cũngnhư proton và neutron vậy Bản thân bảng hạt này ngày nay tạm được coi là cơ bản, nóvẫn có khả năng được cấu thành từ những hạt nhỏ hơn Tuy nhiên hiện nay ngay cả cáchạt này cũng chưa phải đã được xác định chính xác, mà chỉ bằng lí thuyết (như graviton)

và các hiệu ứng được tiên đoán (như quark)

2.4 Phản vật chất

Phản vật chất là khái niệm trong vật lý, đây là khái niệm chung chỉ các phản hạt cơbản như phản electron, phản neutron, Theo lý thuyết, nếu phản vật chất gặp vật chấtthông thường thì cả hai sẽ triệt tiêu nhau

Hình 6: Ảnh mô tả cấu về cấu tạo của phản vật chất

Băng chứng về phản vật chất: Thí nghiệm được tiến hành bởi Carl David Andersonvào năm 1932 Ông đã chụp hình được một số cặp phi đạo bị biến mất ngay khi gặp nhau

Dữ liệu này đã làm tăng sự tin tưởng rằng có tồn tại các hạt phản vật chất mà khi một hạttương tác với chính phản hạt cùng loại sẽ triệt tiêu nhau và sinh năng lượng

Năm 1996, Phòng thí nghiệm Fermi, (Chicago, Mỹ) đã tạo ra 7 phản nguyên tửhydro trong một máy gia tốc hạt Có điều các hạt này tồn tại trong thời gian quá ngắnngủi, lại chuyển động với tốc độ sát gần ánh sáng, nên không thể lưu giữ để nghiên cứu.Tháng 10 năm 2002, Phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân châu Âu (European Organization

for Nuclear Research-CERN) thông báo kết quả thí nghiệm ATRAP, tiếp nối thí nghiệmATHENA tháng 9, tạo ra phản nguyên tử Hydro từ phản proton và positron

Hình 7: Bức ảnh buồng mây của C.D Anderson của positron đầu tiên

Để tạo ra chất phản hydro, nhóm ALPHA đã sử dụng máy va chạm hạt của CERN

và các máy khác, chúng tạo ra phản proton và positron Đối với thí nghiệm này, họ trộnkhoảng 90.000 phản proton với 3 triệu positron tại một thời điểm, ở độ cao hơn khôngtuyệt đối một nửa Nhiệt độ lạnh như vậy là cần thiết để làm chậm phản vật chất, để cáchạt không va vào môi trường xung quanh và biến mất khỏi sự tồn tại Những hỗn hợp nàychỉ tạo ra 30 nguyên tử phản hydro, chúng được thu thập trong một hình trụ dài, có đườngkính gần bằng ống khăn giấy, được giữ trong chân không Tích lũy các hạt trong hai giờ,

họ đã thu thập được khoảng 500 phản nguyên tử Sau đó, họ chiếu một tia laze xung vàochất phản hydro, khiến các phản nguyên tử phát ra ánh sáng, có màu sắc mà họ đo được

CHƯƠNG 3 TƯƠNG TÁC CỦA CÁC HẠT SƠ CẤP

3.1 Tổng quan về các lực tương tác giữa các hạt cơ bản

Hiện tại, tương tác của các hạt cơ bản được chia làm 4 loại chính: Tương tác điện

từ, tương tác mạnh, tương tác yếu, tương tác hấp dẫn

Hấp dẫn Tầm xa Trọng lượng (g) giả thuyết

tử, hạt nhân và hạt nhưng trở thành lực hút chủ đạo giữa các vật thể trung hòa về điệncách nhau một khoảng cách lớn, chẳng hạn như hành tinh, sao và các thiên hà

Hình 8: Tương tác hấp dẫn làm các hành tinh quay quanh mặt trời

+ Tương tác điện từ: Tương tác này chịu trách nhiệm cho lực đẩy tầm xa của lực đẩytương tự và lực hút của các điện tích không giống nhau Đại lượng không thứ nguyên đặctrưng cho cường độ của tương tác điện từ là hằng số cấu trúc tinh, được cho bởi Eq Ởnhững khoảng cách có thể so sánh được, tỷ số giữa lực hấp dẫn và tương tác điện từ (đượcxác định bởi cường độ của các lực tương ứng giữa một electron và một proton) Liên kếtcác electron và proton trong nguyên tử, và hiệu ứng dư của nó giữ các nguyên tử lại vớinhau trong phân tử hoặc trong chất rắn Đây là một lực tương đối dài, giảm tỷ lệ với bìnhphương khoảng cách giữa các hạt mang điện

Hình 9: Từ trường tác dụng lên các điện tích mang điệm

+ Tương tác hạt nhân yếu: một lực tầm cực ngắn (tác dụng trong khoảng cách < 10-18 m)tham gia vào quá trình phân rã beta và phân rã của một số hạt cơ bản như neutron (chu kỳbán rã 920s) Hiện nay người ta tin rằng lực điện từ và lực yếu là biểu hiện của một lựcđiện yếu Sức mạnh đặc trưng của nó đối với các hiện tượng năng lượng thấp được đobằng hằng số Fermi GF

Hình 10: Phân rã Beta của neutron do tác dụng của tương tác yếu

+ Tương tác hạt nhân mạnh: Tương tác cơ bản thứ tư là tương tác hạt nhân mạnh giữaproton và neutron, tương tự như tương tác hạt nhân yếu là ở tầm ngắn, mặc dù phạm vi là

10 -15 m chứ không phải 10 -18 m Trong phạm vi khoảng cách này, lực mạnh làm lu mờ tất

cả các lực khác giữa proton và neutron, với tham số cường độ đặc trưng của bậc thốngnhất (so với tham số cường độ điện từ α ≈1/1371/137) Lực hạt nhân giữa các nucleon

được cho là hiệu ứng còn lại của lực mạnh hơn nhiều giữ các quark lại với nhau trong mỗi

nucleon

Hình 11: Tương tác mạnh tạo thành hạt nhân nguyên tử

→ Bốn loại tương tác vừa nêu ngày nay đã được mô tả thống nhất trong mô hình chuẩncủa vật lý hạt Theo Mô hình chuẩn, ở điều kiện năng lượng đủ cao, các tương tác nàythống nhất với nhau, mặc dù nội dung đã nêu thì dường như chúng rất khác nhau về cơchế

Hình 12: Mô hình chuẩn của vật lý hạt

CHƯƠNG 4 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT CƠ BẢN

4.1 Khối lượng

Mỗi hạt đều có khối lượng nghỉ m0 xác định, trừ hạt photon có khối lượng nghỉbằng không Khối lượng thường được diễn tả qua đơn vị năng lượng (MeV/c2, GeV/c2).Chẳng hạn electron có me =0,511MeV/c2, proton có mp = 938,3MeV/c2

Riêng các hạt neutrino thì trước đến nay vẫn được xem là không có khối lượng, nhưngtrong các lí thuyết hiện nay lại có nhiều lập luận là cho thấy hạt  có thể và trong một sốtrường hợp phải có khối lượng

Tuỳ theo khối lượng mà người ta chia làm 3 loại hạt cơ bản:

+ Hạt nhẹ (lepton), ví dụ: me = 0,511MeV/c2

+ Hạt nặng (barion), ví dụ: mp= 938,3 MeV/c2, mn = 939,6MeV/c2

+ Hạt trung gian (meson), ví dụ: mπ = 139,6MeV/c2, mπ0= 135MeV/c2

Người ta nhận thấy khối lượng có vẻ phụ thuộc vào điện tích, cụ thể là các hạtgiống nhau về mọi mặt nhưng có điện tích khác nhau thì khối lượng cũng khác nhau Tuynhiên, quy luật của sự phụ thuộc này không rõ ràng, hay nói rộng hơn, người ta chưa biết