TÌM HIỂU THẾ GIỚI hạt cơ bản

Ngoài các máy gia tốc, ngày nay còn có những phương tiện kỹ thuật hiện đại dùng để nghiên cứu các hạt cơ bản, điển hình là các buồng bọt lớn chứa đầy hiđro lỏng, cho phép chụp ảnh ghi nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐỖ THỊ LAN

TÌM HIỂU THẾ GIỚI HẠT CƠ BẢN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

QUẢNG BÌNH, NĂM 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐỖ THỊ LAN

TÌM HIỂU THẾ GIỚI HẠT CƠ BẢN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:

ThS TRẦN NGỌC BÍCH

QUẢNG BÌNH, 2014

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo trường Đại học Quảng Bình, khoa Khoa học Tự nhiên đã trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn – ThS Trần Ngọc Bích đã tận tình hướng dẫn

và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ, động viên và góp ý để khóa luận được hoàn thiện

Quảng Bình, tháng 05 năm 2014

Sinh viên

Đỗ Thị Lan

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Phạm vi nghiên cứu 2

7 Cấu trúc khóa luận 2

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HẠT CƠ BẢN 3

1.1 Khái niệm hạt cơ bản 3

1.2 Vài nét về lịch sử khám phá hạt cơ bản 3

1.3 Tương tác của các hạt cơ bản 5

1.3.1 Tương tác hấp dẫn 6

1.3.2 Tương tác điện từ 7

1.3.3 Tương tác mạnh 8

1.3.4 Tương tác yếu 9

1.4 Phân loại các hạt cơ bản 11

1.4.1 Phân loại theo vai trò cấu thành và liên kết thế giới vật chất 11

1.4.2 Phân loại theo khối lượng 12

1.4.3 Phân loại theo tương tác 13

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ CẤU TRÚC CỦA HẠT CƠ BẢN 14

2.1 Các đặc trưng và các định luật bảo toàn của các hạt cơ bản 14

2.1.1 Các đặc trưng của các hạt cơ bản 14

2.1.2 Các định luật bảo toàn trong các hạt cơ bản 18

2.2 Đối xứng unita và phân loại các hạt cơ bản 21

2.3 Mẫu quark 22

2.3.1 Quark và các đặc trưng của chúng 22

2.3.2 Các đặc trưng của quark 23

2.3.3 Cấu tạo của các hađron theo quark 27

2.4 Một số bài tập vận dụng 31

CHƯƠNG 3 THỐNG NHẤT CÁC TƯƠNG TÁC – SỰ KHỞI ĐẦU CỦA VŨ TRỤ

MÁY GIA TỐC 37

3.1 Thống nhất các tương tác – sự khởi đầu của vũ trụ 37

3.1.1 Sự thống nhất các loại tương tác 37

3.1.2 Thuyết Big Bang về sự khởi đầu của vũ trụ 38

3.2 Máy gia tốc 42

3.2.1 Định nghĩa máy gia tốc hạt 42

3.2.2 Phân loại máy gia tốc hạt 43

3.2.3 Máy gia tốc hạt lớn 44

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thế kỷ 20 là cuộc bùng nổ của vật lí hạt nhân cùng với vật lí lượng tử, cực điểm

là các thí nghiệm phân hạch hạt nhân cùng với bom hạt nhân, tạo ra một đà lớn cho sự phát triển của ngành công nghiệp Trong những năm 1950 và 1960, một số lượng lớn các hạt được tìm ra bởi các thí nghiệm phân rã hạt Khái niệm “vườn hạt”, là tập hợp của các hạt, nhờ đó mà ra đời Và nó tồn tại cho đến khi mô hình chuẩn hạt được ra đời năm 1970, nơi mà tất cả các hạt và tổ hợp của chúng đều được giải thích một cách chính xác

Lịch sử khám phá ra các hạt cơ bản theo tiến trình thời gian với kích thước ngày càng nhỏ dần: chất – phân tử – nguyên tử – và thế giới hạ nguyên tử Nguyên tử không phải là hạt nhỏ nhất, nó được cấu tạo bởi một hạt nhân trung tâm và các electron quay xung quanh trên các quĩ đạo có năng lượng xác định (theo mẫu nguyên tử Bohr) Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi các hạt proton và neutron Vấn đề đặt ra là ngoài các hạt cơ bản đó, thế giới vật chất còn có thể cấu tạo từ hạt cơ bản nào khác Giải quyết vấn đề này là nhiệm vụ của một lĩnh vực vật lí: vật lí hạt cơ bản [2]

Trước năm 1950, người ta chỉ dựa vào nguồn tia vũ trụ để nghiên cứu và khám phá ra các hạt cơ bản Sau năm 1950, với việc chế tạo thành công các máy gia tốc mang năng lượng cao và đơn sắc, người ta đã liên tiếp khám phá ra hàng loạt các hạt

cơ bản mới Ngoài các máy gia tốc, ngày nay còn có những phương tiện kỹ thuật hiện đại dùng để nghiên cứu các hạt cơ bản, điển hình là các buồng bọt lớn chứa đầy hiđro lỏng, cho phép chụp ảnh ghi nhận được các quá trình tương tác phức tạp diễn ra giữa các hạt cơ bản

Các hạt cơ bản khi va chạm vào nhau biến hóa thành các hạt khác Động năng ban đầu càng lớn thì các hạt sinh ra càng phong phú, nên vật lí hạt cơ bản gắn liền với lĩnh vực vật lí năng lượng cao, cho phép ta đi sâu vào thế giới bên trong hạt nhân, giải quyết nhiều vấn đề lớn của tự nhiên Cho đến nay, người ta đã tìm được hàng trăm hạt cơ bản và thu được khá nhiều kết quả thực nghiệm về các quá trình phân rã và tương tác giữa chúng Nhưng hiện tại, vẫn chưa có một lý thuyết hoàn chỉnh về các hạt cơ bản

Là sinh viên ngành Vật lí – Kỹ thuật công nghiệp, tôi muốn trang bị cho mình những kiến thức liên quan đến các lĩnh vực của vật lí hiện đại nhằm giải thích những

2

băn khoăn về cấu tạo của thế giới vật chất mà chúng ta đang sống Thế giới, vũ trụ được hình thành như thế nào? được cấu tạo từ cái gì? Câu hỏi đó thôi thúc tôi tìm hiểu câu trả lời Song khi tìm hiểu, tôi nhận thấy các tài liệu tổng hợp về hạt cơ bản rất ít, thậm chí không có, mỗi tài liệu chỉ có một vài thông tin Từ đó tôi muốn nghiên cứu về hạt cơ bản và đưa ra tài liệu tổng quan, đầy đủ các thông tin về hạt cơ bản nhằm phục

vụ cho những ai muốn tìm hiểu về hạt cơ bản – thành phần nhỏ nhất cấu tạo và liên kết

thế giới vật chất Vì vậy, tôi quyết định chọn đề tài: “ Tìm hiểu thế giới hạt cơ bản”

làm khóa luận tốt nghiệp của mình

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, tìm hiểu những vấn đề cơ bản nhất về hạt cơ bản: khái niệm, phân loại, các đặc trưng, cấu trúc, tương tác giữa các hạt cơ bản, … nhằm lí giải sự cấu thành và liên kết thế giới vật chất Từ đó hình thành tài liệu nghiên cứu tổng hợp về hạt cơ bản

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu trên đây, các nhiệm vụ cụ thể bao gồm:

- Nghiên cứu, tìm hiểu khái niệm, phân loại hạt cơ bản, các đặc trưng của hạt cơ bản, các định luật bảo toàn trong tương tác giữa các hạt cơ bản

- Nghiên cứu, tìm hiểu cấu trúc của hạt cơ bản, sự sắp xếp hệ thống hạt cơ bản

- Nghiên cứu, tìm hiểu nguồn gốc hình thành vũ trụ

4 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thế giới hạt cơ bản, thế giới vật chất, vũ trụ

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết: thu thập tài liệu giáo trình, phân tích, so sánh, tổng quan tài liệu

6 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài này nghiên cứu tổng quan về hạt cơ bản Tập trung nghiên cứu các đặc trưng của hạt cơ bản, các định luật bảo toàn trong tương tác giữa các hạt cơ bản Đề tài tìm hiểu sơ lược lược về thống nhất các tương tác và máy gia tốc

7 Cấu trúc khóa luận

Khóa luận gồm 3 phần chính: mở đầu, nội dung và kết luận

Phần nội dung gồm các chương:

Chương 1 Giới thiệu về hạt cơ bản

Chương 2 Các đặc trưng và cấu trúc của hạt cơ bản

Chương 3 Thống nhất các tương tác – sự khởi đầu của vũ trụ Máy gia tốc

3

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HẠT CƠ BẢN

1.1 Khái niệm hạt cơ bản

Hạt cơ bản là những hạt rất nhỏ cấu tạo nên vật chất Cho đến nay, đã tìm được ngày càng nhiều các hạt cơ bản (đặc biệt là các hạt cộng hưởng) vì thế khó mà định nghĩa từ “cơ bản” theo đúng nghĩa của từ này trong khuôn khổ một số lớn hạt như thế Tên gọi này mang nhiều tính chất quy ước, vì bản thân mỗi hạt có thể có cấu trúc nội tại phức tạp Các hạt cơ bản đều có thể phân rã thành các hạt cơ bản khác, thậm chí có thể phân rã theo nhiều cách [2]

Thông thường chúng ta hiểu các hạt cơ bản (còn gọi là hạt sơ cấp – tiếng Anh là elementary particle) là những thực thể vi mô tồn tại như những hạt nguyên vẹn, đơn nhất có kích thước vô cùng nhỏ và không thể tách thành các phần nhỏ hơn: mà ta đã biết như là các hạt proton, neutron và electron [6] Ngoài các hạt kể trên, còn các hạt photon và neutrino đều không mang điện Proton, electron, photon và neutrino là những hạt bền Chúng hoàn toàn không tự phân rã hoặc phân rã rất chậm (thời gian sống của electron 22

Ngoài các hạt trên có vài trăm hạt không bền, có thời gian sống cỡ 10-24 – 10-6

giây Đa số các hạt này sống ngắn hơn 10-20 giây và được gọi là các hạt cộng hưởng Thường người ta gọi các hạt sống lâu hơn hạt cộng hưởng là các hạt bền [4]

Khi hạt cơ bản đủ năng lượng cần thiết va chạm nhau, nhiều hạt mới sinh ra Chúng không phải là các mảnh của các hạt va chạm mà là những hạt mới trọn vẹn Điều này giống hoàn toàn như các hạt tự phân rã thành các hạt cơ bản khác

Một đặc điểm nữa là tự nhiên tạo ra các hạt cơ bản trong những điều kiện rất khác nhau, nhưng các hạt cùng một loại hoàn toàn giống hệt nhau không thể phân biệt được Chúng không chịu ảnh hưởng gì của phương thức tạo ra chúng và giữ nguyên mọi đặc tính của mình cho đến lúc “chết”

1.2 Vài nét về lịch sử khám phá hạt cơ bản [8]

Hạt cơ bản đầu tiên được tìm thấy là electron e vào năm 1897 sau khi Thomson nghiên cứu kỹ 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 electron e

và đã được Chadwick tìm thấy trong thực nghiệm tương tác của hạt  với nguyên tố

Be vào năm 1932 Hạt neutron n có khối lượng gần bằng hạt protonp, nhưng không mang điện tích Bằng việc phát hiện ra hạt neutron các nhà 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 Ngành vật lý hạt cơ bản, được xem là bắt đầu từ lúc phát hiện ra hạt neutron chứ không phải từ lúc phát hiện ra hạt electron

Năm 1930, để giải thích sự hao hụt 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 bởi Reines và 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 hạt positron e đã được tiên đoán bằng lý 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 muyon



, có khối lượng lớn hơn khối lượng electron e khoảng 200 lần, nhưng lại rất giống

positron evà electron 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

từ lý thuyết năm 1935

Cuối những năm 40 đến đầu những năm 50 là giai đoạn phát hiện ra các hạt lạ,

5

những hạt đầu tiên (meson K,) được tìm thấy trong tia vũ trụ, còn những hạt tiếp theo được tìm thấy trong các máy gia tốc, là kết quả của quá trình tán xạ (va chạm) của các hạt proton p hay electron 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 là hàng nghìn GeV (tức hàng TeV) Máy gia tốc proton với hạt nặng vài GeV đã giúp khám phá ra các phản hạt nặng: phản proton (1955), phản neutron (1956), phản sigma (1960), … Năm 1964, người ta phát hiện ra hạt hyperon nặng nhất: hạt omega  với khối lượng gần gấp đôi 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 (khoảng 350 hạt) là các hạt cộng hưởng

Vào năm 1962, người ta phát hiện ra hai loại hạt neutrino khác nhau: loại đi kèm với electron gọi là neutrino electron e và loại đi kèm với hat muyon là neutrino muyon 

Vào năm 1974, hai nhóm nghiên cứu riêng rẽ do Tinh và Richter lãnh đạo tìm thấy hạt J/psi J / , 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 , với khối lượng bằng cả chục lần khối lượng của proton, khởi đầu cho họ các hạt đẹp được tìm thấy từ năm 1981

Trước đó, vào năm 1975, người ta đã tìm thấy hạt tauon  , với tính chất giống

hạt electron e, muyon  nhưng khối lượng lớn hơn nhiều Sau đó ít lâu, loại neutrino

thứ ba đi với nó, hạt neutrino tauon cũng được tìm thấy

Mới đây, vào năm 1983 tại phòng thí nghiệm CERN người ta đã tìm thấy các hạt

boson vectơ trung gian W, Z dự kiến bởi lý thuyết trước đó ít lâu Các hạt này có vai trò tương tự như hạt photon , nhưng lại có khối lượng rất lớn, gấp cả trăm lần khối lượng proton

1.3 Tương tác của các hạt cơ bản

Như vậy, 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 là các hạt đó tương tác với nhau như thế nào để tạo

6

nên cấu trúc vật chất, tạo nên vũ trụ

Câu trả lời là có bốn loại tương tác cơ bản đối với các hạt cơ bản Đó là các tương tác quen thuộc đối với chúng ta: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu

và khó phát hiện tới mức cho đến nay vẫn chưa thể quan sát được

Tương tác hấp dẫn được mô tả bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton Như thế, tương tác hấp dẫn là áp dụng cho tất cả các vật thể, trong đó có các hạt cơ bản có khối lượng nghỉ khác không Ánh sáng là những hạt photon tuy có khối lượng nghỉ bằng không nhưng bị bẻ cong khi đến gần các thiên thể Đó là do hiệu ứng tương đối tính Einstein của hấp dẫn [6] Cuối thế kỉ XVII, trên cơ sở nghiên cứu sự rơi của các vật cũng như chuyển động của Mặt Trăng quanh Trái Đất và của các hành tinh quanh Mặt Trời, Newton đi tới nhận định: mọi vật trong tự nhiên đều hút nhau với

Do G N rất nhỏ nên tương tác hấp dẫn chỉ đáng kể khi ít nhất một trong hai vật có

khối lượng đáng kể (vào cỡ một thiên thể) Với các vật thông thường phải dùng những dụng cụ thí nghiệm rất nhạy cảm mới phát hiện được lực hấp dẫn giữa chúng

Ở mức độ hạt cơ bản, lực này nhỏ không đáng kể, do các hạt cơ bản có khối lượng rất nhỏ vì vậy tương tác hấp dẫn ít quan trọng ở thang đo nguyên tử (người ta thường bỏ qua tương tác hấp dẫn)

từ giữa các electron mang điện âm và các proton mang điện dương trong hạt nhân làm cho các electron quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử, hệt như tương tác

8

hấp dẫn làm cho Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời Cơ chế tương tác điện từ là sự trao đổi hạt truyền photon giữa các hạt mang điện Cũng như tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ có bán kính tác dụng vô hạn nên hạt truyền photon có khối lượng nghỉ bằng không [6]

Khi electron chuyển động từ quỹ đạo được phép này sang một quỹ đạo được phép khác gần hạt nhân hơn, năng lượng sẽ được giải phóng và một photon thực

sự được phát ra Photon này có thể được quan sát bằng mắt người nếu có bước sóng ứng với ánh sáng nhìn thấy hoặc bởi một màn như phim ảnh chẳng hạn Cũng như vậy nếu một photon thực sự va chạm với một nguyên tử nó có thể làm cho electron chuyển từ quỹ đạo gần hạt nhân hơn sang quỹ đạo khác xa hơn Quá trình này sử dụng hết năng lượng của photon, vì vậy nó đã bị hấp thụ

Cường độ tương tác điện từ đặc trưng bởi hằng số tương tác điện từ không thứ nguyên: [4]

2 2

1

137, 0360

e c

Các đặc trưng của tương tác điện từ là: bán kính tác dụng R (với khối

lượng của photon bằng không), thời gian đặc trưng 20

10

   s, hằng số tương

137

  Do bán kính tác dụng và cường độ tương tác lớn tương tác điện từ xuất

hiện ở mọi khoảng cách: vi mô, vĩ mô và vũ trụ Tương tác điện từ giữ hạt nhân nguyên tử và lớp điện tử tạo nên các nguyên tử và phân tử Tương tác điện từ cũng

là bản chất của các lực thông thường trừ lực hấp dẫn: lực đàn hồi, lực ma sát, lực căng mặt ngoài … Tương tác điện từ có mặt trong hầu hết các hiện tượng quanh ta: các hiện tượng vật lí, hoá học, sinh học …

9

khoảng cách nhỏ (cỡ bán kính hạt nhân, tức là 10-15m) Các nuclon trong hạt nhân tương tác với nhau bằng tương tác mạnh và tạo ra lực hạt nhân Tương tác mạnh không tác dụng lên các hạt lepton và các hạt truyền tương tác ( các bosonW và 0

Z )

Tương tác mạnh được chia làm hai thành phần, tương tác mạnh cơ bản và tương tác mạnh dư Thành phần cơ bản của tương tác mạnh giữ các quark lại với nhau để hình thành các hađron như proton và neutron Thành phần dư của tương tác mạnh giữ các hađron lại trong hạt nhân của một nguyên tử chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton đó là lực điện từ

Tương tác mạnh đặc trưng bởi cường độ lớn và bán kính tác dụng nhỏ (xem bảng 1.1)

Cơ chế tương tác mạnh là sự trao đổi các hạt truyền gluon giữa các hạt hađron

1.3.4 Tương tác yếu

Tương tác yếu xảy ra ở mọi hạt cơ bản trừ các hạt photon và gluon gây nên đa số các hiện tượng phóng xạ, trong đó có phóng xạ 

Chẳng hạn phân rã  được giải thích là do tương tác yếu giữa bốn hạt fermion

là neutron, proton, electron và neutrino Phương trình tương tác giữa bốn hạt đó là:

và neutrino mang điện dương Lý thuyết này gọi là lý thuyết dòng – dòng là phổ biến cho mọi quá trình tương tác yếu

Mở rộng lý thuyết Fermi cho các quá trình khác cho ta lý thuyết chung về tương tác yếu Tương tác yếu được đặc trưng bằng hằng số tương tác Fermi G F:

5

2

1,03.102

10

Bảng 1.1 cho ta sự so sánh các tương tác khác nhau: nếu bậc tương tác mạnh là

1 thì bậc tương tác điện từ là 10-2, tương tác yếu cỡ 10-5 và tương tác hấp dẫn 10-38 Thí dụ về các quá trình tương tác yếu:

1.3.4.2 Các quá trình lepton – hađron

Có các hạt lepton và hađron cùng tham gia:

(về các hạt lepton, hađron xem mục phân loại các hạt cơ bản)

Một đặc điểm nữa của tương tác yếu là không bảo toàn tính chẵn lẻ không gian

P Ý tưởng về sự không bảo toàn tính chẵn lẻ không gian trong tương tác yếu do hai nhà vật lý Mĩ là Lý và Dương (1956) và được thực nghiệm chứng tỏ (năm 1957,do nhà vật lý thực nghiệm bà Vũ cùng cộng sự thực hiện) [4], [6]

Tính chẵn lẻ không gian P(tiếng Anh là Parity): mỗi hạt cơ bản được đặc trưng

bằng một hàm sóng  r t, là hàm của tọa độ không gian r và thời gian t Gọi Plà phép đối xứng tọa độ không gian, tức là :

   , ,

Nếu lại tác dụng P một lần nữa, ta phải có:

   2

P  r t  r t

(1.7)như vậy, ta có hai trường hợp:

   r t, r t,

11

và    r t,  r t, (1.9) Hạt nào có hàm sóng thỏa mãn (1.8) thì có tính chẵn lẻ bằng +1, nếu thỏa mãn (1.9) thì có tính chất lẽ bằng -1 Tương tác làm giữ không đổi tính chẵn lẻ thì thỏa mãn bảo toàn chẵn lẻ

Cơ chế truyền tương tác yếu là giữa các hạt có sự trao đổi hạt truyền tương tác yếu Có 3 loại hạt truyền tương tác yếu là các boson W và 0

Khối lượng của lượng tử (MeV)

Bán kính tác dụng (m)

Nguồn Hằng số liên kết

không thứ nguyên

Thời gian phân rã điển hình (s)

/0,53.10

N

G M c



1.4 Phân loại các hạt cơ bản

Các hạt cơ bản được phân loại theo nhiều tiêu chí

1.4.1 Phân loại theo vai trò cấu thành và liên kết thế giới vật chất

Nếu xét theo vai trò cấu thành và liên kết thế giới vật chất thì hạt cơ bản gồm hai

12

loại: hạt cấu thành thế giới vật chất và hạt truyền tương tác liên kết giữa các thế hệ vật chất

- Hạt cấu thành vật chất: các hạt này có spin bán nguyên, tức là các fermion, tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli – “Không có hai hạt fermion nào có thể cùng chiếm một trạng thái lượng tử ” Chúng được phân thành hai nhóm: lepton và quark

Lepton gồm lepton mang điện e, , 

và lepton trung hòa   e, ,  Các hạt mà trước đây vài chục năm còn được coi là hạt cơ bản với ý nghĩa không

thể phân chia được, như proton, neutron, - meson (pion), …, thì bây giờ đều được coi là các hệ phức hợp của nhiều quark Chúng được gọi là các hađron Khi hệ là quark

và phản quark chúng được gọi là meson, còn khi hệ là ba quark chúng được gọi là baryon

- Hạt truyền tương tác: các hạt này có spin nguyên, tức là các boson, tuân theo thống kê Bose- Einstein nghĩa là có thể có nhiều hạt nằm trong cùng một trạng thái lượng tử Boson gồm bốn loại: graviton, gluon, photon và các boson trung gian

0

W , Z

1.4.2 Phân loại theo khối lượng

Có thể phân chia các hạt cơ bản thành bốn họ theo khối lượng nghỉ của chúng:

1 Hạt photon ( ) tham gia tương tác điện từ (hạt truyền tương tác) và tương tác hấp dẫn, khối lượng nghỉ bằng không Spin của photon bằng 1

2 Các lepton hay hạt nhẹ, khối lượng nhỏ hơn 207 me (me: khối lượng electron), tham gia tương tác điện từ và yếu Spin của các lepton bằng 1/2

3 Các meson hay hạt trung bình, có khối lượng từ 273 me đến 1075 me và có

spin nguyên Các meson là các hạt boson: 0

, ,

  

, các kaon …

4 Các baryon hay hạt nặng, có khối lượng lớn hơn 1836 me và có spin bán

nguyên Có hai nhóm baryon là: nuclon (p,n) và hyperon (   , , , )

Bảng dưới đây cho ta các hạt cơ bản sắp xếp theo khối lượng nghỉ tăng dần, kèm theo một vài đặc trưng của chúng như thời gian sống, điện tích … Ứng với mỗi hạt có một phản hạt Đó là một hạt có cùng khối lượng, spin với hạt nhưng mang điện trái dấu hoặc tích màu, hương vị liên hợp Các phản hạt được viết trong dấu ngoặc bên

cạnh hạt Có những hạt có phản hạt trùng với nó như hạt photon  , hay hạt pion trung hòa 0

Bảng 1.2 Các hạt cơ bản bền (“ E”: tương tác điện từ, “G”: tương tác hấp dẫn,

“S”: tương tác mạnh, “W”: tương tác yếu)

Hạt

(phản

hạt )

Khối lượng nghỉ (MeV)

Thời gian sống 

(s)

Số điện tích Q

<35 0,511 105,5 1784,1

bền bền

? bền 3.10 -13

0

0

0 -1(+1) -1(+1) -1(+1)

1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2

10-141,5.10-103,0.10-101,7.10 -10 1,3.10-10

+1(-1) 0(0) 0(0) +1(-1) 0(0) -1(+1) 0(0) -1(+1) -1(+1)

1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2

+1(-1) +1(-1) +1(-1) +1(-1) +1(-1) +1(-1) +1(-1) +1(-1) +1(-1)

0(0) 0(0) -1(+1) -1(+1) -1(+1) -1(+1) -2(+2) -2(+2) -3(+3)

E,

G,

W,

S

1.4.3 Phân loại theo tương tác

Các hạt chịu tác dụng của lực mạnh được gọi là các hạt hađron (meson, baryon) Còn các hạt không chịu tác dụng của lực mạnh, để cho các lực yếu trở thành lực lấn áp, được gọi là các lepton

2.1.1 Các đặc trưng của các hạt cơ bản

2.1.1.1 Khối lượng

Các hạt cơ bản đều có khối lượng nghỉ khác không, trừ photon (γ) có khối lượng

nghỉ bằng không và neutrino   có khối lượng nghỉ coi như bằng không (khi nói khối lượng của một hạt ta hiểu là khối lượng nghỉ) Khối lượng các hạt cơ bản thường tính

ra đơn vị bằng khối lượng electron (me) hay tính MeV

và gọi là các hạt cộng hưởng Khi các hạt cơ bản có một năng lượng xác định nào đó

va chạm vào nhau, chúng có thể tạo thành một trạng thái liên kết trước khi rã thành các hạt cơ bản khác Trạng thái liên kết ấy được gọi là một hạt cộng hưởng Mặc dù các hạt cộng hưởng là một “hệ thống gồm nhiều hạt cơ bản”, chúng cũng thường được xem là hạt cơ bản Muốn xác định được sự tồn tại của nó, chỉ có thể dựa vào phân bố năng lượng của các sản phẩm phân rã (phổ năng lượng này có một đỉnh nhọn, nên mới gọi là cộng hưởng) [4] Hiện nay số lượng các hạt cộng hưởng đã tới vài trăm hạt

2,551 0, 026 10 s  và phân rã theo phản ứng:



  Meson 0 có thời gian sống   16

1,80 0, 26 10   s và phân rã theo phản ứng:

02

  

2.1.1.3 Điện tích

Điện tích của các hạt là điều kiện để chúng tham gia tương tác điện từ Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như photon γ và neutrino ν Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối đều bằng điện tích nguyên tố của electron 1.602.10−19 C

2.1.1.4 Spin

Các hạt cơ bản đều có mômen spin (hoặc số lượng tử spin) đặc trưng cho chuyển động nội tại của chúng Mômen spin được biểu diễn bằng một vectơ S có môđun cho bởi:

 1

S  s s (sgọi là số lượng tử spin) (2.1)

Hình chiếu trên một trục z bất kì cho bởi:

Các hạt boson có spin nguyên (photon, meson,…), không hạn chế số lượng hạt ở trong cùng một trạng thái và tuân theo thống kê Bose-Einstein

16

2.1.1.5 Phản hạt

Thực nghiệm và lý thuyết chứng tỏ rằng mỗi hạt cơ bản đều có phản hạt tương ứng Phản hạt có cùng khối lượng, thời gian sống, spin nhưng điện tích Q, momen từ,

số lepton L, số Baryon B ngược dấu với hạt

Với các hạt không mang điện, phản hạt có cùng khối lượng nhưng có momen từ ngược hướng và cùng độ lớn

, , , , , , 

       Người ta gọi chúng là các hạt “lạ” vì chúng có hai đặc điểm sau đây:

+ Chúng sinh ra trong những quá trình rất nhanh (thời gian xảy ra quá trình  1023s)

và phân rã trong những quá trình chậm ( 8

Để mô tả quá trình baryon tham gia, người ta đưa ra một số lượng tử mới gọi là

số baryon B: số baryon của các hạt baryon p n, , , ,  đều bằng 1, của các phản hạt của chúng p n, , , ,   đều bằng -1 Các hạt khác có số hạt baryon bằng 0

, ,

    ) lập thành một tam tuyến đồng vị Sở dĩ có thể ghép được như vậy là vì các hạt này (các hạt hađron) tương tác mạnh với nhau Chúng ta đã được biết tương tác mạnh không phụ thuộc vào điện tích, cho nên các hạt trong cùng một đa tuyến đồng vị đều tương tác (mạnh) với các hạt khác như nhau Tính chất độc lập điện tích này đặc trưng bằng spin đồng vị I được xác định sao cho 2I + 1 = N bằng số hạt trong mỗi đa tuyến Như vậy spin đồng vị của các nuclon là 1

2, các pion là 1, …

Bảng 2.4: Giá trị spin đồng vị (I) và hình chiếu spin của đồng vị (m I ) của các hạt

2.1.2 Các định luật bảo toàn trong các hạt cơ bản

Mọi phản ứng và phân rã của các hạt cơ bản đều tuân theo một số các định luật bảo toàn và quy tắc lựa chọn Trước hết ta có các định luật bảo toàn quen thuộc là: Định luật bảo toàn khối lượng – năng lượng

19

Định luật bảo toàn động lượng

Định luật bảo toàn mômen động lượng toàn phần (spin)

Định luật bảo toàn số điện tích

Thí dụ:

0

p p K  n

số điện tích: 1 + 1 = 1 + 1 + 0 + 0

Các định luật bảo toàn khác như sau:

2.1.2.1 Định luật bảo toàn số lepton

Định luật bảo toàn số lepton tương ứng với từng loại số lepton và do đó kéo theo bảo toàn số lepton L:

e L







   

2.1.2.2 Định luật bảo toàn số baryon

Định luật bảo toàn số baryon đúng cho mọi phản ứng hay phân rã

Phát biểu định luật: “trong các quá trình biến đổi, tổng đại số của các số baryon của hệ không đổi”

Thí dụ:

n p + e + +1 = +1 + 0 + 0

2.1.2.3 Định luật bảo toàn spin đồng vị

Vì spin đồng vị là một vectơ nên trong mọi tương tác mạnh vectơ spin đồng vị

được bảo toàn Đặc biệt là hình chiếu spin đồng vị nên trục Z (trục thứ ba trong không

gian đồng vị) được bảo toàn Trường hợp hai hạt, I  I1 I2 Thành phần trên trục z của I tổng hợp là:

I I I

m  m m

(2.6)

mI = 0 + 1 1

I          Sau phản ứng ta có:

cả m I và I đều không được bảo toàn

2.1.2.4 Định luật bảo toàn số lạ trong tương tác mạnh

Số lạ được bảo toàn trong mọi tương tác mạnh và điện từ Trong tương tác yếu ta

có   s 0, 1. Điều kiện này đối với tương tác yếu là qui tắc lọc lựa, nó cấm một số phản ứng nào đấy

Tương tác mạnh sau đây là một thí dụ về định luật bảo toàn số lạ:

p S

21

2.1.2.5 Siêu tích Y

Người ta còn đưa ra một số lượng tử nữa gọi là siêu tích Y

như vậy chỉ có các hạt lạ mới có siêu tích khác số baryon B

Giữa điện tích Q của hạt và hình chiếu spin đồng vị, số siêu tích của nó có công thức liên hệ sau đây gọi là công thức Gell – man – Nishijima:

Về sau ngoài số lạ người ta còn thấy các hạt mang tính chất khác nữa, vì thế còn

có các số lượng tử C (số duyên) Công thức Gell – man – Nishijima trở thành:

 

1 2

I

Qm  YC

(2.10)

2.2 Đối xứng unita và phân loại các hạt cơ bản

Vào những năm 50 và đầu 60 của thế kỷ trước, số hạt cơ bản được biết lên đến vài trăm hạt Một đòi hỏi tự nhiên là phải sắp xếp các hạt có hệ thống, tuân theo những quy luật nào đó tương tự như đã sắp xếp các nguyên tố hóa học theo bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev Lý thuyết đối xứng unita ra đời vào những năm đầu của thập kỷ

60 (Gell – man, N’eeman, năm 1961) Theo lý thuyết này, tương tác mạnh là bất biến đối với một phép biến đổi đặc biệt trong không gian phức của vectơ unita Phép biến đổi này giữ không đổi spin đồng vị I và siêu tích Y Các hạt cơ bản được nhóm lại trong những đa tuyến unita (hay còn gọi là siêu đa tuyến đồng vị vì kết hợp cả spin đồng vị và siêu tích) [6]

Sau đây là một vài đa tuyến unita các hạt cơ bản:

- Đa tuyến 8 hạt meson có spin 1/2 và tính chẵn lẽ +1 gồm: phân nhóm 1 gồm

22

- Đa tuyến 10 hađron có spin 3/2 và số chẵn lẻ +1 gồm: phân nhóm 1 có

0, , ,

,



  (I = 1/2, Y = -1); phân nhóm 4 có  (I = 0, Y = -2) (Xem hình 2.1.c)

Các đa tuyến thường được biểu diễn trong mặt phẳng Y, I3 như sau đây:

Hình 2.1.Các siêu đa tuyến: 8 baryon (a); 8 meson (b); và 10 hạt baryon (c)

2.3 Mẫu quark

2.3.1 Quark và các đặc trưng của chúng

Khác với các lepton, thực nghiệm cho thấy hađron có kích thước nhất định Trong các thí nghiệm dùng lepton thăm dò sâu các hađron cho thấy với năng lượng lepton vượt quá vài chục GeV, góc tán xạ trong gần đúng bậc 1 không phụ thuộc năng lượng Như vậy, ở một khoảng cách bé nào đấy bên trong hạt có thể coi là hoàn toàn tự

c)

c)