Hạt cơ bản!

4.Các tương tác cơ bản• Ta đã coi các hạt cơ bản là những thành phần nhỏ nhất của vật chất cấu tạo nên vũ trụ .Một câu hỏi đặt ra: các hạt đó tương tác với nhau như thế nào để tạo nên cấ

1 SƠ LƯỢC VỀ CÁC HẠT SƠ CẤP

- Các hật sơ cấp còn gọi là các hạt cơ bản, đó là những hạt khởi đầu mà từ chúng tất cả các hạt phức tạp hơn được tạo thành

Các hạt cơ bản tự chúng không phải là một hệ cấu tạo từ những hạt cơ bản hơn

- Các hạt sơ cấp như: electron e-,pozitron e+, proton p,

nơtron n, nơtrino ν,…

2.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT SƠ CẤP

a) Khối lượng nghỉ:

+

+ Hạt sơ cấp không có khối lượng nghỉ (m0 = 0):

phôtôn, nơtrinô, graviton

+ Theo hệ thức Anhxtanh, hạt sơ cấp có khối lượng nghỉ m0thì có năng lượng nghỉ E0 = m0c2

2.CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ PHÂN LOẠI CỦA HẠT SƠ CẤP

2.CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ PHÂN LOẠI CỦA HẠT SƠ CẤP

c) Spin:

+

+ Mỗi hạt sơ cấp đều có momen động lượng riêng và

momen từ riêng đặc trưng cho chuyển động nội tại và bản

2.CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ PHÂN LOẠI CỦA HẠT SƠ CẤP

d) Thời gian sống trung bình:

+

+ Có 4 hạt sơ cấp bền (không phân rã thành hạt khác):

phôtôn, nơtrinô, electron (+ và -) và prôton

+ Tất cả các hạt khác không bền thì phân rã thành hạt

khác

 Thời gian sống của notron: 932s

 Thời gian sống của các hạt không bền khác: 10 -24 s đến 10

-6 s

2.2 PHÂN LOẠI HẠT SƠ CẤP

1 Photon (lượng tử ánh sáng) là hạt truyền tương tác điên

từ, khối lượng nghỉ bằng 0, spin bằng 1.

2 Lepton (hạt nhẹ) gồm 6 hạt có spin bằng 1/2 , xếp thành 3 cặp: lepton electron, lepton muy, lepton tau 6 hạt này

chỉ thực hiện tương tác điện từ và tương tác yếu.

3.Mezon (hạt trung gian) có spin bằng 0, thường truyền tương tác mạnh.

4.Barion (hạt nặng) có spin bán nguyên, chia làm các nhóm: nuclon và hyperon, ngoài ra còn có các nhóm barion

duyên, barion đáy Barion có tương tác đặc trưng là tương tác

mạnh

2.CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ PHÂN LOẠI CỦA HẠT SƠ CẤP

3 HẠT VÀ PHẢN HẠT.

-Phần lớn các hạt sơ cấp đều tạo thành từng cặp có cùng

m 0 , s, điện tích có trị số bằng nhau nhưng trái dấu gọi

là hạt và phản hạt

VD1: electron e- và pôzitron e+ có cùng me và s = ½ nhưng Q = - 1 và Q = +1

VD2: proton và phản proton (antiproton)

4.Các tương tác cơ bản

• Ta đã coi các hạt cơ bản là những thành phần

nhỏ nhất của vật chất cấu tạo nên vũ trụ Một

câu hỏi đặt ra: các hạt đó tương tác với nhau như thế nào để tạo nên cấu trúc vật chất, tạo nên vũ trụ ?

• Câu trả lời là: có 4 loại tương tác cơ bản: hấp dẫn, điện từ, mạnh và yếu

• Cơ chế tương tác hấp dẫn giữa hai hạt có khối lượng

là sự trao đổi hạt truyền tương tác (còn gọi là

lượng tử của trường tương tác) gọi là hạt graviton

4.2 Tương tác điện từ

• Là tương tác giữa các hạt mang điện

• Các hạt cơ bản mang điện có điện tích bằng điện tích của elctrôn hoặc điện tích của

pôzitrôn.

• Cơ chế tương tác điện từ là sự trao đổi giữa

các hạt mang điện các lượng tử của trường

điện từ gọi là các hạt phôtôn

4.3 Tương tác yếu

• Đó là tương tác có các lepton tham gia, ví dụ các quá trình phân rã β:

• Các nơtrinô, luôn luôn đi đôi với e+, e-.

• Sau đó tìm thêm được hai leptôn tương tự như electron là và Tương tự với chúng có hai loại nơtrinô là và .

• Vậy có sáu hạt lepton xếp thành 3 cặp

4.4 Tương tác mạnh

• Tương tác mạnh là tương tác giữa các hađrôn và ở

khoảng cách nhỏ (cỡ bán kính hạt nhân)

• Các hạt nuclôn trong hạt nhân tương tác với nhau

bằng tương tác mạnh và tạo ra lực hạt nhân

• Cơ chế tương tác mạnh là sự trao đổi các hạt truyền

gluôn giữa các hạt hađrôn.

• Tương tác giữa các quac có một đặc tính là: Khi các quac lại gần nhau thì tương tác giữa chúng rất yếu,

không đáng kể, có thể coi như chúng ở trạng thái tự

do Trái lại, khi khoảng cách giữa các quac tăng lên

thì tương tác giữa chúng trở nên cực mạnh Điều này

giải thích tại sao ta không thể quan sát được các quac ở trạng thái tự do.

4.5 Sự thống nhất của các tương tác

• Trong điều kiện bình thường, cường độ của các loại tương tác kể trên được so sánh với nhau theo tỉ lệ

tương đối là:

• Tuy nhiên lí thuyết và thực nghiệm đã chứng minh

được rằng, trong điều kiện các năng lượng cực cao, thì cường độ của các tương tác sẽ cùng cỡ đối với nhau

Tương tác Mạnh Điện từ Yếu Hấp dẫn

Độ mạnh 1 1/137 10mũ-14 10mũ-39

• Vào đầu những năm 70 của thế kỉ trước, một lí thuyết của Van-bớc-Xa-lam (Weiberg - Salam)

về sự thống nhất hai tương tác điện từ và

tương tác yếu đã được xây dựng thành công

(lí thuyết tương tác điện từ yếu) Hiện nay

đang tiến hành xây dựng lí thuyết thống nhất

ba tương tác mạnh, điện từ, yếu (lí thuyết về

sự thống nhất lớn) Và tương lai sẽ xây dựng lí

thuyết thống nhất bốn tương tác trong vũ trụ

(thống nhất vĩ đại hay siêu thống nhất).

4.6 Thống nhất các tương tác và sự khởi đầu của vũ trụ

a Vũ trụ của chúng ta được sinh từ một “vụ nổ lớn”

b Ở những thời điểm đầu tiên 43s, vũ trụ có kích thước

10-32m, nhiệt độ cực cao 1032K, ứng với năng lượng 1019GeV;

lúc này có bốn loại tương tác thống nhất với nhau

c Tiếp đó, năng lượng giảm dần đến 1015GeV, tương tác hấp

dẫn tách ra thành một tương tác riêng; chỉ còn ba tương tác:

mạnh, điện từ, yếu, thống nhất với nhau

d Tiếp sau đó, năng lượng vào cỡ 100GeV: tương tác mạnh tách

ra chỉ còn hai tương tác điện từ và yếu thống nhất với nhau

Cuối cùng khi năng lượng giảm dần đến 0,1GeV thì các tương

tác điện từ và yếu củng tách ra Và sau đó 14 tỉ năm hình

thành vũ trụ ngày nay

5.1 Quark là gì?

Từ những năm 1970, nhờ có các máy gia tốc cực

mạnh, người ta đã tìm ra hàng trăm hạt hađrôn Sự

tồn tại của một số hạt khá lớn các hađrôn đã dẫn các nhà vật lí đến kết luận: các hađrôn chưa phải là những

“viên gạch” cuối cùng tạo nên các chất Nói cách

khác, các hađrôn được cấu tạo bởi các vi hạt có kích thước nhỏ hơn Các vi hạt này được gọi là các hạt

quac

5.2.Họ các quark

Ba hạt quark đầu

• Vào năm 1963,Muray Gell-Man và george Zweig

đã đưa ra thuyết về quark một cách độc lập

nhau.Theo các ông , hadron được cấu tạo bởi ba quark u,d,s Các mêzôn được cấu tạo từ 1 quark và

1 phản quark Các bariôn được cấu tạo từ 3 quark

• Năm 1975,người ta phát hiện ra một hađrôn siêu

nặng.Cấu trúc của hạt này được giải thích bằng sự tồn tại của một quark khác gọi là quark c

• Năm 1977 thêm 1 giả thiết về quark thứ 5 gọi là

quark b vào đầu năm 1994 ở châu âu người ta phát

hiện sự tồn tại quark thứ sáu gọi là quark t

5.3 Đặc tính của các quac

a Mỗi hađrôn cấu tạo bởi một số quac.

b Có sáu hạt quac và sáu đối quac tương ứng.

c Các quac đều là các fecmiôn và có điện tích

phân số

Sự tồn tại của các quark đã được thực nghiệm

chứng minh

(up: lên, down: xuống, strange: lạ, charm: duyên, bottom: đáy, top: đỉnh)

• Các đặc tính của hạt quac: hạt pion (+1) gồm hai hạt

quac, hạt proton gồm có 3 hạt quac, hạt neutron gồm

có 3 hạt quac

Quark và các đặc trưng

Tên Kí hiệu Khối lượng

(Gev) Điện tích(e) spin thế hệ

Sáu hạt trong Mô hình chuẩn là các quark (màu tím) Ba cột đầu tiên tạo thành

các thế hệ của vật chất Cột thứ tư là các hạt trường.

KẾT LUẬN

1 Có 6 loại lepton: e, µ, τ các notrino tương ứng và các phản

hạt của chúng Do đó có tất cả 12 lepton Câu hỏi đặt ra là:

- Còn lepton nào khác không?

- Các lepton không có cấu trúc bên trong hay chúng là

những hạt tổ hợp?

- Định luật bảo toàn số lepton là tuyệt đối hay gần đúng?

2 Trong mẫu chuẩn có 6 quark và các phản hạt của chúng

Nhưng mỗi loại trong số chúng có 3 màu khác nhau, nên tổng cộng ta sẽ có 36 hạt Các hạt quark được gắn với nhau trong các mezon và hadron bởi các gluôn có 8 màu khác nhau.

KẾT LUẬN

Vậy:

- Có phải tất cả chúng đều là những hạt cơ bản?

- Những gì thật sự đang diễn ra bên trong notron và proton?

- Các lepton liên hệ với các quark như thế nào? Chúng có thể hợp nhất lại trên cơ sở sâu hơn không?

3 Chúng ta có tương tác cơ bản sau;

- Tương tác hấp dẫn

- Tương tác điện yếu (tương tác điện từ và tương tác yếu)

- Tương tác mạnh (tương tác giữa các hadron, giữa quark

và gluon)

Lý thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ

là 1 thành công lớn Hiện nay lý thuyết thông nhất vĩ đại đang được xây dựng nhưng bản thân nó còn gặp nhiều trở ngại:

Phân rã proton, khối lượng tĩnh của notrino, sự vi phạm bảo toàn lepton và barion.

Một cuộc hành trình lí thú cho những phát minh, khám phá mới đang chờ đợi, thu hút những người dũng cảm, giàu trí tưởng tượng, muốn tìm tòi và có tinh thần đổi mới, cách mạng trong khoa học.

Chúng ta hi vọng những ai bước vào lĩnh vực khoa học đầy thách thức này sẽ ứng dụng được tiềm năng, trí tuệ của

mình để kiến thiết, xây dựng và sử dụng cái mới một cách hiệu quả hơn nữa, khám phá ra những huyền bí về cấu trúc của vũ trụ chúng ta!

(25 công trình- 50 nhà khoa học)

nghiên cứu khác (1897)

rã của các nguyên tố (1902)

1935 James Chaowich

Irene và Frederic Joliot Curie

Khám phá ra notron (1932) Tổng hợp các nguyên tố phóng

xạ mới (1934)

Carl D.Anderson

Khám phá tia vũ trụ (1911) Khám phá positron (1932)

1957 C.N.Wang và T.D.Lee Tiên đoán vầ lý thuyết

phạm vi bảo toàn chẵn lẻ (1956)

1959 Emilio G.Segre và Owen Sản xuất các phản proton

(1955)

1963 Maria Goeppert Mayer

và J.Han Jen sen Augene P.Wigner

Mẫu vỏ hạt nhân (1949) Ứng dụng đối xứng vào lý thuyết hạt cơ bản

1968 Luis Anvarez Những đóng góp về máy

gia tốc hạt (1946)

1969 Murray Gell-mann Lý thuyết phân loại các hạt cơ

Salam và Steven Weinberg

Thống nhất lực tương tác điện

từ và lực tương tác yếu 1972)

W.Cronin

Chứng minh bằng thực nghiệm

sự vi phạm bảo toàn chẵn lẻ điện tích (1964)

1984 Carlo Rubbia và Simon

van der Meer

1990 Jerome Friedman, Henry

Kendall và Richard Taylor

Sử dụng tán xạ của e trên proton và notron để khảo sát tỉ mỉ mẫu quark

1992 Georges Charpak Phát triển các Detector điện

tử để ghi các hạt trong máy gia tốc

1998 Robrt B.Laughlin, Horst

L.Stormer và Daniel C.Tsui

Phát minh ra dạng mới của chất lỏng lượng tử với những mức kich thích có điện tích phân số.

1999 T.hooft và Veltman Làm rõ cấu trúc của các

tương tác điện-yếu trong Vật Lý

S.Kilby, Zhoresl, Alferes và Herbert Kroner

Phát minh ra mạch tích hợp (IC) và phát triển các cấu trúc bán dẫn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Vật lý nguyên tử, hạt nhân Lê Chấn Hùng, Lê Trọng Tường.

2 Vật lý nguyên tử, hạt nhân Nguyễn Minh Thủy

3 Cơ sở vật lý VI, David Halliday, NXB Giáo dục 2009

4 Vật Lý hiện đại William Savin, NXB Giáo Dục 1996

5 Vật lý hạt nhân Nguyễn Triệu Tú, NXB ĐHQG 2006

6 http://vi.wikipedia.org/wiki/H%E1%BA%A1t_s%C6%A1_c

%E1%BA%A5p

7 http://vi.wikipedia.org/wiki/L%E1%BB%B1c_c%C6%A1_b

%E1%BA%A3n

TÀI LIỆU THAM KHẢO

12.http://translate.google.com.vn/translate?hl=vi&langpair=en| vi&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_physics