TÌM HIỂU THẾ GIỚI hạt cơ bản

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 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 1 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 2 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  e  1022 năm, của proton  p  1030 năm, so với thời gian sống của thiên hà là 1012 năm). Neutron tự do có thời gian sống 103 giây, tức là khoảng 15 phút, nhưng ở trong hạt nhân nó bền không kém proton. 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 . 3 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  . 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 Milikan vào những năm 1912 – 1915 và Compton 1922. Năm 1911, Rutherford đã khám phá ra hạt nhân nguyên tử và sau đó 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 lý thuyết 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 proton p , 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, 4 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 5 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. 1.3.1. Tương tác hấp dẫn Tương tác hấp dẫn (lực hấp dẫn) được xem là chất keo dính vũ trụ, nó ngự trị thế giới vĩ mô. Nhiều hiện tượng trong tự nhiên chứng tỏ rằng các vật có khối lượng luôn luôn tác dụng lên nhau những lực hút. Trọng lực là lực hút của Trái Đất lên các vật xung quanh. Trái Đất quay xunh quanh Mặt Trời là do lực hút của Mặt Trời, Mặt Trăng quay xung quanh Trái Đất là do lực hút của Trái Đất. Giữa các vì sao trong vũ trụ cũng có lực hút lẫn nhau … Các lực đó gọi là lực hấp dẫn vũ trụ. Trong số bốn loại lực tương tác trong tự nhiên thì lực hấp dẫn là yếu nhất, yếu tới mức chúng ta không thể nhận thấy nó, nếu nó không có hai tính chất đặc biệt sau: nó có thể tác dụng trên khoảng cách lớn và luôn là lực hút. Ba loại lực còn lại, hoặc có tầm tác dụng ngắn, hoặc đôi khi là lực hút, đôi khi là lực đẩy, vì vậy chúng có xu huớng triệt tiêu nhau. Theo cách nhìn nhận của cơ học lượng tử đối với lực hấp dẫn thì lực hấp dẫn giữa hai hạt có khối lượng là sự trao đổi hạt truyền tương tác (hạt truyền, còn gọi là lượng tử của trường tương tác) có spin bằng 2, gọi là hạt graviton. Hạt này không có khối lượng riêng nên có tầm tác dụng dài [4]. Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trời chính là do trao đổi các graviton giữa các hạt tạo nên hai vật thể đó, mặc dù các hạt trao đổi là ảo, nhưng điều chắc chắn là chúng tạo ra một hiệu ứng đo được, đó là làm cho Trái Đất quay quanh Mặt Trời. Các graviton tạo nên cái mà các nhà vật lí cổ điển gọi là sóng hấp dẫn, chúng đều rất 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 6 một lực gọi là lực hấp dẫn .Với những vật có thể coi là chất điểm, lực này tuân theo định luật sau đây, gọi là định luật vạn vật hấp dẫn: “Lực hấp dẫn giữa hai vật (coi như chất điểm) tỷ lệ với tích của hai khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng”. Fhd  GN m1m2 r2 (1.1) trong đó m1 , m2 là khối lượng của hai vật, r là khoảng cách giữa chúng. Hệ số tỷ lệ GN là một hằng số chung cho mọi vật gọi là hằng số hấp dẫn GN  6, 67.1011 N .m2 / kg 2 . Để so sánh với các tương tác khác, cường độ tương tác hấp dẫn được tính bằng một đại lượng không thứ nguyên GN M 2 / c (bằng 0,53.10-38) là một số rất nhỏ so với cường độ tương tác mạnh có giá trị bằng 1 (xem bảng 1.1, trong đó M là khối lượng nuclon, c là vận tốc ánh sáng). Do GN 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). 1.3.2. Tương tác điện từ Tương tác điện từ xảy ra giữa các hạt mang điện, nhờ nó có cấu tạo nguyên tử và phân tử. Đây là tương tác giữa các hạt mang điện như các electron và các hạt quark, chứ không phải những hạt không mang điện như graviton. Tương tác này lớn hơn tương tác hấp dẫn rất nhiều cỡ 1037 lần. Có hai loại điện tích, điện tích âm và điện tích dương. Tương tác giữa hai điện tích dương cũng như hai điện tích âm đều là lực đẩy, trong khi tương tác giữa một điện tích dương với một điện tích âm lại là lực hút. Một vật thể lớn như Trái Đất và Mặt Trời chứa các điện tích dương và các điện tích âm với số lượng gần bằng nhau. Vì vậy lực hút và lực đẩy giữa các hạt cá thể gần như triệt tiêu nhau, lực điện từ tổng cộng còn lại gần như rất nhỏ. Tuy nhiên, ở quy mô nguyên tử và phân tử thì tương tác điện từ lại chiếm ưu thế. Tương tác điện 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 7 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]  e2 1  2 c 137,0360 (1.2) 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   1020 s, hằng số tương tác   1 137 . 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 … 1.3.3. Tương tác mạnh Tương tác mạnh liên kết các quark có màu để tạo thành các hađron, trong đó có proton, neutron, các hạt tạo nên hạt nhân nguyên tử . Các hạt nhân nguyên tử là tập hợp của các hạt proton và neutron. Tất cả các proton đều mang cùng một điện tích dương. Theo tương tác điện từ chúng sẽ đẩy nhau, thế nhưng chúng vẫn tụ tập trong hạt nhân nguyên tử chứng tỏ có một tương tác lớn hơn tương tác điện từ rất nhiều. Tương tác này được gọi là tương tác mạnh, cái tên của nó đã nói lên điều đó – đây là tương tác mạnh nhất trong bốn loại tương tác. Tương tác mạnh có tính chọn lọc, nó chỉ xảy ra đối với các hạt nặng hađron và ở 8 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 boson W  và Z 0 ). 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: n  p  e  (1.3) Lý thuyết phân rã   do Fermi xây dựng dựa vào giả thuyết Pauli tiên đoán có hạt neutrino tham gia phản ứng phân rã. Phương trình (1.3) cho thấy trong phân rã   , tại một thời điểm t hạt neutron tự phân rã và đồng thời xuất hiện ba hạt mới là proton, electron và neutrino (thực ra là phản neutrino). Sự rã hạt neutron tương đương với sự tương tác giữa hai dòng mang điện. Dòng thứ nhất gồm neutron và electron mang điện âm, dòng thứ hai gồm proton 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 GF : GF 1,03.105  M2 2 (1.4) Để so sánh với các tương tác khác, người ta dụng hằng số không thứ nguyên như sau:[4]  Mc / 2 .GF / hc  1,03.105 9 (1.5) 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: 1.3.4.1. Các quá trình Lepton Chỉ có các hạt lepton tham gia:   e, e ,   e , e   e , e   , e   e ,   1.3.4.2. Các quá trình lepton – hađron Có các hạt lepton và hađron cùng tham gia:   , n  , p  , p   , n trong đó proton, neutron là các hađron. 1.3.4.3. Các quá trình hađron Chỉ có các hạt hađron tham gia: K     0 ,     ,   0 0 0    , n 0 (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 P là phép đối xứng tọa độ không gian, tức là :    P  r , t   r , t  (1.6) Nếu lại tác dụng P một lần nữa, ta phải có:     P2  r, t   r, t (1.7) như vậy, ta có hai trường hợp:     r , t   r , t  (1.8) 10     r , t   r , t và  (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 Z 0 . Sở dĩ có 3 loại hạt là vì có các dòng mang điện tương tác lên nhau và có cả dòng trung hòa điện nữa. Các hạt boson này có spin nguyên bằng 1. Bảng 1.1. Các tương tác cơ bản (để so sánh, lấy cường độ tương tác mạnh làm đơn vị đo, M: khối lượng nuclon; GN: hằng số hấp dẫn, GF:hằng số Fermi) Tương Lượng tử Khối Bán kính tác của lượng của trường lượng tử Nguồn Hằng số liên kết Thời tác dụng không thứ gian (m) nguyên phân rã điển (MeV) hình (s) Mạnh Điện Gluon 0  1015 Photon  0  từ Tích α0 màu s  1 với r nhỏ Điện   e2 / c  1/137 ͂ 1 với r lớn tích 10-23 10-20 Các boson Yếu trung gian 82,93 10 Tích 18 yếu  Mc /  2  1,02.10 G/ c 5 10-8 W , Z 0 Hấp dẫn Graviton 0  Khối GN M 2 / c lượng  0,53.1038 - 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 11 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 W , Z 0 . 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 . 12 Ở bảng này không liệt kê các hạt cộng hưởng mà chỉ có các hạt có thời gian sống   1020 s . 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) Photon Hạt Khối Thời Số Spin (phản lượng gian điện J hạt ) nghỉ sống  tích Q (MeV) (s) 0 bền 0 -6  e ( e ) [...]... 0,53.1038 - 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 11 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... những hạt khác Người ta đã tìm thấy các hạt có thời gian sống cực ngắn, chỉ vào khoảng 10-20s 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... bảo toàn trong các phản ứng và các phân rã của các hạt cơ bản 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...  ) 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. .. 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 Bảng 2.1 Thí dụ về các hạt và phản hạt tương ứng Hạt p N e- e+ π+ π0 γ Phản hạt p n e+ e- π- π0 γ 2.1.1.6 Số... 1315 0(0) 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 13 CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ CẤU TRÚC CỦA HẠT CƠ BẢN 2.1 Các đặc trưng và các định luật bảo toàn của các hạt cơ bản Các hạt cơ bản được đặc trưng bằng các đại lượng quen thuộc... 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 14 Cho đến nay trong số các hạt cơ bản, người ta chỉ thấy có một số ít hạt bền là:  , , e , p , còn các hạt cơ bản khác chỉ sống một thời... 0,005 MeV Theo hệ thức Anhxtanh, hạt cơ bản có khối lượng nghỉ m0 thì có năng lượng nghỉ E0  m0c 2 2.1.1.2 Thời gian sống Thời gian sống của các hạt cơ bản đặc trưng cho quá trình phân rã tự nhiên của chúng Những hạt không bị phân rã (một cách tự nhiên), có thời gian sống rất lớn, có thể coi như vô cùng gọi là những hạt bền như e, p,  … Ngoài những hạt bền, các hạt cơ bản khác thường có thời gian sống... 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: Q  mI  1 Y  C  2 (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... xảy ra đối với các hạt nặng hađron và ở 8 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 boson W  và Z 0 ) 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 ... Nghiên cứu, tìm hiểu khái niệm, phân loại hạt bản, đặc trưng hạt bản, định luật bảo toàn tương tác hạt - Nghiên cứu, tìm hiểu cấu trúc hạt bản, xếp hệ thống hạt - Nghiên cứu, tìm hiểu nguồn gốc... nghiên cứu hạt đưa tài liệu tổng quan, đầy đủ thông tin hạt nhằm phục vụ cho muốn tìm hiểu hạt – thành phần nhỏ cấu tạo liên kết giới vật chất Vì vậy, định chọn đề tài: “ Tìm hiểu giới hạt bản làm... chương: Chương Giới thiệu hạt Chương Các đặc trưng cấu trúc hạt Chương Thống tương tác – khởi đầu vũ trụ Máy gia tốc NỘI DUNG CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HẠT CƠ BẢN 1.1 Khái niệm hạt Hạt hạt nhỏ cấu tạo