Báo cáo môn vật lý 2 Đề tài 25 hạt higgs ( hạt của chúa )

Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản bao quát 12 hạt hạ nguyên tử bao gồmelectron cũng như các quark cấu tạo nên neutron và proton, các phản hạt của chúng, và ba trong số bốn lực chi phối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

🙞 ···☼··· 🙜

BÁO CÁO MÔN VẬT LÝ 2

ĐỀ TÀI 25 HẠT HIGGS ( HẠT CỦA CHÚA ) :

THỰC HIỆN: LỚP L09 – NHÓM 25

Giảng viên hướng dẫn: Cô Nguyễn Thị Minh Hương

Tiết Gia Khải

Phùng Ngô Kiến Quốc

Tôn Nữ Ngọc Diễm

Tống Vỹ Thanh

Trần Bảo Phúc

2311560 2312876 2310431 2313088 2312720

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5, năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM đã đưa môn Vật Lý 2 vào chương trình giảng dạy

Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên bộ môn là thầy Nguyễn Trung Hậu đã giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức quý báu trong những ngày qua Trong suốt thời gian tham gia lớp đại số tuyến tính của cô, chúng

em tự thấy bản thân mình tư duy hơn, học tập càng thêm nghiêm túc và hiệu quả Đây chắc chắn là những tri thức quý báu, là hành trang cần thiết cho chúng em sau này

Bộ môn Vật Lý 2 là một môn học vô cùng hữu ích, có tính thực tế cao, đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu thực tiễn cho sinh viên Tuy nhiên, do vốn kiến thức chúng

em còn nhiều hạn chế cũng như còn bỡ ngỡ nên mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn bài tập lớn Vật Lý 2 lần này khó có thể tránh khỏi những thiếu sót và vài chỗ còn chưa chính xác Kính mong cô xem xét, góp ý cho bài tập lớn của chúng

em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

GIỚI THIỆU CHUNG

Trong thế kỉ 20, các nhà vật lí lượng tử đã phát hiện và lí thuyết hóa những thứ ngày một kì lạ hơn về thế giới hạ nguyên tử Vào thập niên 1960, các nhà vật lí đang dồn về với nhau mọi thứ họ biết về các hạt hạ nguyên tử và các tương tác của chúng thành một lí thuyết hoặc mô hình Đó là một lời kêu gọi lớn, với sự thưởng phạt lớn – mọi thứ cấu tạo từ vật chất, cho nên việc tìm hiểu các hạt cấu tạo nên vật chất và các lực chi phối cái diễn ra ở cấp độ ấy là công việc ưu tiên hàng đầu Vào đầu thập niên 1970, mô hình xuất hiện gần như làm được công việc đó Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản bao quát 12 hạt hạ nguyên tử (bao gồmelectron cũng như các quark cấu tạo nên neutron và proton), các phản hạt của chúng, và ba trong

số bốn lực chi phối mọi tương tác của chúng Nó còn tiên đoán các hạt chưa biết vào lúc ấy, nhưng rồi đã được tìm thấy trong các thí nghiệm năng lượng cao Khi

mô hình trên tiến trình hoàn thiện, thì người ta gặp hai trở ngại lớn Một trong những trở ngại này là nó không cho phép bất kì hạt nào có khối lượng Mọi hạt trên thực tế chúng ta biết là có khối lượng – nó đã được đo và chứng minh – nên vật lí học cần một lời giải cho bài toán khối lượng, hay nó cần một mô hình mới Đó là nơi ngài Higgs của chúng ta và trường lực mang tên ngài xuất hiện Nếu trường Higgs thật sự là cơ sở của khối lượng, thì thật OK cho bản thân các hạt hạ nguyên

tử không có khối lượng vì chúng cần đến nó chỉ bởi việc tương tác với trường, và

Mô hình Chuẩn vẫn trụ vững Nhưng nếu rốt cuộc không có trường Higgs, thì chúng ta chẳng có cách nào giải thích khối lượng và vật lí hạt sơ cấp sẽ ở lại với

Mô hình rất Dưới chuẩn Vậy làm thế nào bạn tìm ra một trường không nhìn thấy chiếm giữ mọi góc cạnh không gian trong vũ trụ? Bạn hãy săn tìm boson của nó

MỤC LỤC

DANH SÁCH THÀNH VIÊN 1

LỜI CẢM ƠN 2

GIỚI THIỆU CHUNG 3

1 NGUỒN GỐC VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 5

1.1 Nguồn gốc của Higgs: 5

1.2 Tổ chức Cern 6

1.3 Khái niệm hạt Higgs: 7

1.4 Máy gia tốc hạt (LHC: Large Hadron Collider ): 8

2 MÔ HÌNH CHUẨN 9

2.1 Mô hình chuẩn 9

2.1.1 Khái niệm và nguồn gốc 9

2.1.2 Cấu trúc và phân loại 11

2.2 Trường Higgs: 14

2.3 Cơ chế Higgs 15

3 CUỘC SĂN BOSON HIGGS: 16

3.1 Ý tưởng và công cụ nghiên cứu: 16

3.2 Ý nghĩa của việc tìm ra Higgs Bosson: 17

3.3 Ứng dụng đời sống : 18

3.4 Peter Higgs : 19

1 NGUỒN GỐC VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Nguồn gốc của Higgs:

Hạt Higgs được dự đoán ban đầu trong các mô hình lý thuyết của vật

lý hạt nhân Peter Higgs và François Englert, cùng với các nhà vật lý khác,

đã đưa ra các mô hình lý thuyết vào những năm 1960 để giải thích cơ chế cho việc các hạt khác trong vật lý tiểu hạt có khối lượng Trong các mô hình này, hạt Higgs được coi là phương tiện để truyền khối lượng cho các hạt khác thông qua tương tác với một trường vật lý gọi là trường Higgs Các nhà vật lý đã sử dụng các mô hình này để dự đoán rằng nếu hạt Higgs tồn tại, thì nó sẽ có thể được tìm thấy thông qua các thí nghiệm vật lý hạt Từ đó, các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm và nghiên cứu để tìm kiếm và xác nhận sự tồn tại của hạt Higgs

Cuối cùng, vào năm 2012, thông qua các thí nghiệm tại CERN (Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu) bằng cách sử dụng Large Hadron Collider (LHC), hạt Higgs đã được phát hiện Việc này đã là một bước tiến lớn trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và đã xác nhận một phần quan trọng của

mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt

1.2 Tổ chức Cern

Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu ( tên chính thức là Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire ) được biết đến như CERN, là phòng thí nghiệm vật lý hạt lớn nhất thế giới, nằm ở phía Tây Bắc ngoại ô Geneva, trên đường biên giới Pháp

Thụy Sĩ, được sáng lập năm 1954

Ngay sau khi được thành lập, phòng thí nghiệm không chỉ nghiên cứu trong phạm vi năng lượng hạt nhân mà tập trung sâu vào vật lý hạt Bởi thế, phòng thí nghiệm do 5 CERN điều hành thường được biết đến với tên Phòng thí nghiệm Vật lý hạt châu Âu Tổ chức CERN gồm 20 quốc gia châu Âu thành viên, và là nơi làm việc của khoảng 2,600 nhân viên, cũng như 7,931

nhà khoa học và kĩ sư (đại diện cho 580 trường đại học và tổ chức nghiên cứu và 80 quốc gia)

Logo của tổ chức Cern

Nhiệm vụ chính của CERN là cung cấp máy gia tốc hạt và các thiết bị phục vụ cho nghiên cứu vật lý hạt Một lượng lớn thí nghiệm đã được các phòng thí nghiệm liên quốc gia thực hiện tại CERN để sử dụng chúng CERN cũng là nơi khai sinh ra Wolrd Wide Wed Trụ sở chính tại Meyrin cũng có một trung tâm máy tính lớn với khả năng xử lý dữ liệu siêu hạng để phân tích số liệu thí nghiệm, và để có thể sử dụng để nghiên cứu ở bất kì đâu, chúng đã, đang và tiếp tục là một trung tâm mạng diện rộng chính

Hình ảnh về trụ sở tổ chức Cern

1.3 Khái niệm hạt Higgs:

Khái niệm: Hạt Higgs hay boson Higgs là một hạt cơ bản trong mô hình chuẩn của ngành vật lý hạt và là một trong những loại hạt boson

Cụ thể: Ngành vật lý hạt đã xây dựng được một mô hình lý thuyết chính thống (SM), tạo nên khuôn khổ về sự hiểu biết các hạt và các lực cơ bản trong tự nhiên Một trong những 6 thành phần cơ bản của mô hình này là trường lượng tử giả thiết phổ biến, chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho các hạt Trường này hiện tại được gọi là trường Higgs Nó là hệ quả của lưỡng tính sóng - hạt trong cơ học lượng tử, và tất cả các trường lượng tử đều có một hạt cơ bản đi kèm Hạt đi kèm với trường Higgs được gọi là hạt Higgs, hay boson Higgs, theo tên của nhà vật lý Peter Higgs

1.4 Máy gia tốc hạt (LHC: Large Hadron Collider ):

Large Hadron Collider (LHC) là một cụm máy gia tốc hạt lớn và mạnh nhất trên thế giới, được xây dựng tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) Nó là một trong những cỗ máy quan trọng nhất trong nghiên cứu vật lý hạt nhân

LHC là một vòng gia tốc hạt dạng vòng hình với bán kính khoảng 27

km Trong LHC, các hạt subatomic được đẩy lên tới tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, và sau đó chúng được hướng vào va chạm với nhau ở các điểm giao cắt của các đường hướng dẫn hạt

Mục tiêu chính của LHC là tạo ra các va chạm với năng lượng cao để khám phá và nghiên cứu các hiện tượng vật lý mới, bao gồm việc tìm kiếm các hạt mới như hạt Higgs (đã được chứng thực trong các thí nghiệm tại LHC vào năm 2012), cũng như việc nghiên cứu các khía cạnh khác của vật

lý cơ bản, chẳng hạn như sự hiện diện của khối lượng bóng tối và vật chất baryon

2 MÔ HÌNH CHUẨN

2.1 Mô hình chuẩn

2.1.1 Khái niệm và nguồn gốc

Khái niệm:

Mô hình Chuẩn của vật lý hạt là một thuyết bàn về các tương tác hạt

nhân mạnh,yếu, và điện từ cũng như xác định tất cả những hạt hạ nguyên tử

đã biết

Được phát triển vào những năm đầu của thập niên 1970, Mô hình Chuẩn là một phần của lý thuyết trường lượng tử, một lý thuyết đã kết hợp

cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp Ngày nay, hầu hết các thí nghiệm kiểm chứng về 3 lực miêu tả bởi Mô hình Chuẩn đều đúng như những dự đoán của thuyết này Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn vẫn chưa là một thuyết thống nhất các lực tự nhiên một cách hoàn toàn, do sự vắng mặt củalực hấp dẫn Gần đây hơn có vẻ như hạt Higgs cũng đã được tìm ra (2011–2012), và hạt này là hạt cuối cùng mà Mô hình Chuẩn dự đoán cần tồn tại và đã chưa được tìm ra

 Nguồn gốc:

Hạt Higgs là một phần tử cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân Nó được dự đoán lần đầu tiên bởi các nhà vật lý teo học Peter Higgs

và Francois Englert vào năm 1964, nhưng cho đến năm 2012 mới được xác nhận thông qua các thí nghiệm tại CERN

Hạt Higgs được coi là lý do chính giải thích về tại sao các hạt khác trong Vật lý tiểu hạt có khối lượng Trong lý thuyết, mọi hạt được cho là không có khối lượng ban đầu mà tương tác với một trường Higgs dựa trên cơ chế chuyển đổi của chúng thành hạt có khối lượng Trong mô hình này,

trường Higgs trải khắp không gian và thể hiện qua một hạt vật lý gọi là hạt Higgs Khám phá hạt Higgs là một bước quan trọng trong việc hiểu về cơ chế đặc trưng này

Hạt Higgs được dự kiến sẽ cung cấp thông tin quan trọng về sự hiểu biết của chúng ta về nguyên tố cơ bản của Vũ trụ và là một phần quan trọng của mô hình tiêu chuẩn của Vật lý hạt cơ bản

2.1.2 Cấu trúc và phân loại

 Phân loại

Mô hình Chuẩn chứa cả hai loại hạt cơ bản là fermion và boson Fermion là những hạt có spin bán nguyên và tuân thủ theo nguyên lý loại trừ của Wolfgang Pauli, nguyên lý cho rằng không có hai fermion nào có cùng trạng thái lượng tử với nhau Các hạt boson có spin nguyên và không tuân theo nguyên lý Pauli Khái quát hóa, fermion là những hạt vật chất còn boson là những hạt truyền tương tác Trong Mô hình Chuẩn, thuyết điện từ -yếu (bao gồm cả tương tác -yếu lẫn lực điện từ) được kết hợp với thuyết sắc động lực học lượng tử Tất cả những thuyết này đều là lý thuyết gauge, có nghĩa là chúng mô hình hóa các lực giữa các fermion bằng cách tạo ra các boson, có tác dụng như các thành phần trung gian Hệ Lagrangian của mỗi tập hợp hạt boson trung gian không thay đổi dưới một dạng biến đối gọi là biến đổi gauge, vì thế các boson này còn được gọi là gauge boson

 Hạt Fermion

Có 12 hạt sơ cấp với spin ½ (được gọi là fermion) trong Mô hình Chuẩn Theo định lý spin-thống kê các hạt fermion tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli Từng hạt fermion có phản hạt của mình Gồm 2 loại hạt cơ bản là

quark và lepton.

Quark

Đặc tính định nghĩa của hạt quark là chúng có màu tích, nên tương tác theo tương tác mạnh Do một hiệu ứng gọi là sự giam hãm màu, các hạt quark luôn (hay ít nhất kể từ ngay sau vụ nổ lớn) dính lại với nhau, và chúng

nó cấu thành hạt tổ hợp có màu tích trung hoà (hạt hadron) chứa hay là một hạt quark và một hạt phản quark (cấu thành một hạt meson), hay là ba hạt quark (hạt baryon) Hạt proton và neutron quen thuộc là hai hạt baryon có khối lượng thấp nhất Các hạt quark cũng có điện tích và spin đồng vị yếu,

để chúng nó tương tác với hạt fermion khác theo hai đều tương tác điện từ

và tương tác yếu

Lepton

Sau hạt fermion ở lại không có màu tích và chúng nó được gọi là lepton Ba hạt neutrino cũng không có điện tích, nên chỉ có tương tác yếu ảnh hưởng sự vận động của chúng nó, để các hạt ấy rất khó mà phát hiện Mặt khác, nhờ điện tích của mình, các hạt electron, muyon, và tauon đều có tương tác điện từ

 Hạt Boson Các hạt truyền lực được chia ra làm 2 loại

boson chuẩn và boson higgs

Boson Chuẩn (Gauge boson): Trong Mô hình

Chuẩn, các hạt boson chuẩn bao gồm những hạt truyền tải ba tương tác cơ bản: lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu, và lực điền từ Mọi hạt boson chuẩn của

Mô hình Chuẩn có spin bằng 1, nên vì vậy thuộc loại hạt boson Hiệu quả là hạt boson chuẩn không tuân thủ nguyên lý loại trừ Pauli như hạt fermion Theo đó những hạt boson (như photon) không có giới hạn lý thuyết trên mật độ không gian (số mỗi đơn vị thể tích) của hạt này Mô hình Chuẩn gồm ba loại boson chuẩn

là như sau:

Gluon: Tám hạt gluon truyền tải tương tác mạnh giữa những hạt có sắc tích (hạt quark) Hạt gluon không có khối lượng Tám hạt này có thể được nhãn bằng sự phối hợp sắc—phản sắc (như đỏ—phản lam).[nb 1] Vì hạt gluon cũng có sắc tích nên họ cũng tương tác giữa nhau Hạt gluon và tương tác giữa họ do thuyết sắc động lực học lượng tử mô tả

Photon: truyền tải lực điện từ giữa những hạt có điện tích Hạt

photon không có khối lượng và nó do lý thuyết điện động lực học lượng tử

mô tả một cách khá tốt

Boson chuẩn W, Z: truyền tải tương tác yếu giữa những hạt có

hương khác biệt (mọi hạt quark và lepton) Hạt này có khối lượng, còn hạt Z

có khối lượng cao hơn hai hạt W± Tương tác yếu do hai hạt W± truyền tải chỉ ảnh hưởng hạt tay trái và phản hạt tay phải Hơn nữa, hai hạt W± có điện tích +1 và -1 nên tương tác với lực điện từ Hạt Z trung hoà điện tích tương tác với hai đều hạt và phản hạt tay phải Ba hạt boson chuẩn cùng với photon làm một nhóm, truyền tải tương tác điện yếu

Boson Higgs (Scalar boson): Hạt Higgs là hạt cơ bản vô hướng có

khối lượng do Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Gerald Guralnik,

C R Hagen, và Tom Kibble giả thiết cần phải tồn tại năm 1964, và hạt này

là viên gạch cốt lõi của Mô hình Chuẩn Hạt này không có spin nội tại, và vì vậy được phân loại là hạt boson (như những boson chuẩn mà có spin nguyên)

Boson Higgs đóng vai trò độc đáo trong Mô hình Chuẩn vì giải thích

vì sao những hạt cơ bản khác, ngoại trừ photon và gluon, có khối lượng Đặc biệt, boson Higgs giải thích vì sao photon không có khối lượng mà boson W

và Z có khối lượng cao Những khối lượng của các hạt cơ bản và sự khác biệt giữa tương tác điện từ (do photon truyền tải) và tương tác yếu (do boson

W và Z truyền tải) rất quan trọng trong nhiều khía cạnh của cầu trúc vật chất

vi mô (và vì vậy của vật chất vĩ mô) Trong lý tuyết điện yếu, boson Higgs mang khối lượng cho những hạt lepton (electron, muyon, tauon) và quark

Vì boson Higgs cũng có khối lượng nên hạt này cần phải tương tác với riêng mình

2.2 Trường Higgs:

Trường Higgs là một phần trong lý thuyết về trường của các hạt cơ bản, cụ thể là một phần của Mô hình Tiêu chuẩn (Standard Model) trong vật

lý hạt nhân Trong lý thuyết, trường Higgs giải thích cơ chế cung cấp khối lượng cho các hạt W và Z, mà là những hạt mang trọng lượng và được trao đổi trong tương tác yếu, theo mô hình này

Một số hình ảnh mình họa

Trong thực tế, vào năm 2012, các nhà vật lý tìm thấy bằng chứng về

sự tồn tại của boson Higgs, một hạt phù hợp với dự đoán của trường Higgs

Sự phát hiện này được công bố tại CERN (Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu), và nó đã xác nhận một phần của Mô hình Tiêu chuẩn và trường Higgs Boson Higgs được coi là hạt trung gian trong trường Higgs và là phương tiện qua đó trường Higgs tương tác với các hạt khác, cung cấp cho chúng khối lượng

2.3 Cơ chế Higgs

Trong vật lý hạt, cơ chế Brout-Englert-Higgs là một quá trình trong đó các boson gauge của lý thuyết gauge có thể nhận được khối lượng khác 0 thông qua sự phá vỡ đối xứng tự phát Cách thực hiện đơn giản nhất của cơ chế này là đưa thêm từ ngoài vào lý thuyết gauge một trường Higgs Sau đó

sự phá vỡ đối xứng tự phát của đối xứng định xứ làm cho trường Higgs tương tác với (ít nhất là một) các trường khác của lý thuyết gauge, và sinh ra khối lượng (cho ít nhất một) cho các boson gauge Phá vỡ đối xứng cũng sinh ra những hạt vô hướng (spin 0) cơ bản, còn gọi là boson Higgs

Trong mô hình chuẩn, thuật ngữ "cơ chế Higgs" đặc biệt được nhắc đến cho sự sinh khối lượng cho các hạt boson gauge boson W và boson Z của tương tác yếu thông qua sự phá vỡ đối xứng điện yếu