Sử dụng máy gia tốc hạt để nghiên cứu hạt nhân và tìm ra một số hạt cơ bản

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian làm việc nghiêm túc, khẩn trương đến đề tài khóa luận tốt nghiệp em hoàn thành Trong thời gian nghiên cứu em giúp đỡ tận tình giảng viên – Th.s Hoàng Phúc Huấn – người trực tiếp hướng dẫn em làm đề tài thầy cô khoa Vật Lí, đặc biệt tổ Vật Lý lý thuyết trường Đại học Sư phạm Hà Nội bạn sinh viên khoa Vật Lý Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Vật Lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, gia đình, bạn bè động viên khích lệ giúp đỡ em suốt trình học tập hoàn thành khóa luận Sinh viên thực Phạm Thị Tâm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp “Sử dụng máy gia tốc hạt để nghiên cứu hạt nhân tìm số hạt bản”, khóa luận tốt nghiệp thân Tất thông tin tham khảo dùng khóa luận lấy từ công trình nghiên cứu có liên quan nêu rõ nguồn gốc danh mục tài liệu tham khảo Các kết nghiên cứu đưa khóa luận tốt nghiệp hoàn toàn trung thực Ngày tháng năm 2013 TÁC GIẢ Phạm Thị Tâm MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: MÁY GIA TỐC 1.1 Định nghĩa máy gia tốc hạt 1.2 Phân loại máy gia tốc hạt 1.3 Máy gia tốc hạt 1.4 Một số máy gia tốc CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA MÁY GIA TỐC 17 2.1 Tìm hạt 17 2.2 Phản vật chất 24 2.3 Chứng minh thực nghiệm 27 2.4 Một số hình ảnh máy gia tốc hạt 28 CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG MÁY GIA TỐC HẠT ĐỂ TÌM RA MỘT SỐ HẠT CƠ BẢN 30 3.1 Định nghĩa 30 3.2 Giới thiệu chung 30 3.3 Mục đích 31 3.4 Thiết kế vận hành 33 3.5 Bộ phân tích 36 3.6 Quá trình hoạt động 39 3.7 Chi phí 40 3.8 Thông tin 41 3.9 Sự an toàn LHC 41 3.10 Tìm số hạt 43 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật lý hạt nhân phần vật lý đại cương Những thành tựu vật lý hạt nhân góp phần đáng kể việc phát triển vật lý nhân loại Nó có nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống người chữa bệnh, khảo cổ, tạo lượng … Công cụ để tạo phản ứng hạt nhân máy gia tốc Máy gia tốc thiết bị dùng điện trường hay điện trường từ trường để tăng tốc hạt mang điện tích Máy gia tốc phát triển nhờ sáng kiến vật lý hạt nhân vật lý hạt xuất phát từ khát vọng khám phá giới tự nhiên người Tiếp theo máy gia tốc xây dựng mở lĩnh vực khoa học máy gia tốc đan xen với nhiều ứng dụng máy gia tốc Bên cạnh máy gia tốc đóng vai trò vô quan trọng, sử dụng nghiên cứu hạt sơ cấp Large Hadron Collider máy gia tốc hạt đại lớn cung cấp gia tốc mạnh giới, thiết kế để tạo va chạm trực diện tia proton với động cực lớn Mục đích phá vỡ giới hạn mặc định mô hình chuẩn lý thuyết thời vật lý hạt Trên lý thuyết, máy cho chứng minh tồn hạt Higgs, kết nghiên cứu từ máy chứng minh dự đoán từ trước liên kết thiếu mô hình chuẩn, giải thích hạt sơ cấp khác có đặc tính khối lượng Vì lý chọn đề tài: “SỬ DỤNG MÁY GIA TỐC HẠT ĐỂ NGHIÊN CỨU HẠT NHÂN VÀ TÌM RA MỘT SỐ HẠT CƠ BẢN" Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo, hoạt động máy gia tốc hạt - Máy gia tốc hạt sử dụng để nghiên cứu hạt sơ cấp Đối tượng nghiên cứu - Máy gia tốc hạt - Các hạt sơ cấp - Vai trò máy gia tốc hạt Giả thuyết khoa học - Sử dụng máy gia tốc hạt để cung cấp lượng cho hạt sơ cấp - Giải thích trạng thái lỗ đen lượng tử vật chất tối Nhiệm vụ nghiên cứu - Sử dụng máy gia tốc hạt: + Máy gia tốc thẳng + Máy gia tốc vòng - Nghiên cứu chuyển động hạt sơ cấp điện từ trường Phương pháp nghiên cứu - Đọc tra cứu tài liệu - Tìm hiểu vai trò máy gia tốc Cấu trúc khóa luận: khóa luận gồm 03 chương Chương 1: Máy gia tốc hạt Chương 2: Vai trò máy gia tốc hạt Chương 3: Sử dụng máy gia tốc để tìm số hạt NỘI DUNG CHƯƠNG MÁY GIA TỐC 1.1 Định nghĩa máy gia tốc hạt Thiết bị dùng điện trường hay điện trường từ trường để tăng tốc hạt tích điện gọi chung máy gia tốc hạt + Vì nguyên lý hoạt động, cấu tạo, kích thước máy gia tốc khác Máy gia tốc sử dụng nhiều lĩnh vực + Trong vật lý, máy gia tốc đóng vai trò đặc biệt quan trọng, sử dụng nghiên cứu hạt sơ cấp + Sự đa dạng loại máy gia tốc, lượng, cường độ chất lượng với dòng hạt thứ cấp sinh từ chúng xạ hãm, xạ đồng bộ, nơtron, mesons, chùm hạt nhân phóng xạ mở rộng lĩnh vức ứng dụng máy gia tốc 1.2 Phân loại máy gia tốc hạt Trong trình gia tốc hạt chuyển động theo quỹ đạo thẳng quỹ đạo tròn Trên sở tính chất quỹ đạo người ta phân hai loại máy gia tốc: 1.2.1 Máy gia tốc thẳng Máy gia tốc thẳng loại máy gia tốc cổ Máy gia tốc thẳng cổ máy gia tốc kiểu Vi-do-ro-e đời từ năm 1930: cho chùm hạt mang điện qua dãy nối tiếp miền có điện trường, hạt mang điện tăng tốc nhờ điện trường Cuối cùng, hạt mang điện có lượng khoảng vài trăm MeV Trong ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc người ta thường dùng phối hợp máy gia tốc thẳng với máy gia tốc vòng Một số máy gia tốc thẳng kể đến máy Pháp, khánh thành năm 1958, thí nghiệm tiến hành vào năm 1959 1.2.2 Máy gia tốc vòng Máy gia tốc vòng loại máy gia tốc hạt chuyển động theo đường vòng (hạt chuyển động theo đường xoáy ốc từ tâm với bán kính ngày tăng hạt chuyển động theo đường tròn có bán kính ngày tăng luôn tiếp xúc với điểm) Để buộc hạt chuyển động theo đường vòng, người ta dùng từ trường nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quĩ đạo hạt Còn để tăng tốc hạt người ta dùng điện trường + Có hai kiểu máy gia tốc vòng:  Kiểu cyclotron: cyclotron, quỹ đạo hạt tích điện đường xoáy ốc phẳng  Kiểu synchrotron: synchrotron, quỹ đạo hạt đường tròn, muốn quỹ đạo hạt đường tròn người ta phải dùng nhiều nam châm có cảm ứng từ khác bố trí theo thứ tự cảm ứng từ tăng dần Mỗi hạt tăng tốc cảm ứng từ từ trường phải tăng tương ứng để giữ cho bán kính quỹ đạo không đổi 1.3 Máy gia tốc hạt Cyclotron dạng máy gia tốc hạt.Cyclotrons: gia tốc hạt tích điện dùng tần số cao Một từ trường thẳng đứng gây cho hạt theo hình xoắn ốc đường tròn để chúng gia tốc nhiều lần Và Ernest Lawrence, Đại học California, Berkeley, công nhận với máy Cyclotron vào năm 1929 Cơ chế làm việc Cyclotron Trong Cyclotron, điện cực đặt ống chân không, tần số cao cung cấp cho điện cực “D” (hình chữ D) hút đẩy hạt điện tích nằm trung tâm từ trường, hạt gia tốc vượt xuyên qua khe hai cực.Từ trường thẳng đứng với lực hút nguyên tử với nguyên tử làm tăng chuyển động hạt đường xoắn ốc Hình 1.1 Sơ đồ Cyclotron Hình 1.2 Buồng gia tốc Cyclotron Nếu không thay đổi lượng hạt tích điện từ trường theo đường tròn Trong Cyclotron, lượng cung cấp cho hạt mang điện chúng vượt qua khoảng “D” chúng gia tốc tăng khối lượng mà chúng tiến dần đến lượng ánh sáng.Cả hai hiệu ứng (tăng vận tốc tăng khối lượng) tăng bán kính hình tròn đường đường xoắn ốc (Những hạt điện tích chuyển động đường xoắn ốc, dòng điện electron ion, phun thẳng đến từ trường Những hạt điện tích chuyển động tự chân không, hạt điện tích phun đường xoắn ốc.) Bán kính tăng bắn mục tiêu nằm chu vi ống chân không.Những vật chất khác dùng làm mục tiêu, va chạm tạo hạt điện tích thứ yếu mà dẫn Cyclotron đến dụng cụ phân tích Kết cho phép tính toán thuộc tính khác nhau, khoảng cách nguyên tử sản phẩm va chạm khác Mục đích Cyclotron Trong vài thập kỉ, Cyclotron nguồn tốt chùm lượng cao thí nghiệm vật lý hạt nhân dung để bắn phá nguyên tử khác để tìm hạt đồng vị Vài Cyclotron dùng cho nghiên cứu xem xét ung thư diệt khối u ác tính xạ trị 1.4 Một số máy gia tốc Bảng 1.1: Cyclotrons Máy gia tốc cộng hưởng từ Máy gia tốc 9-inch Vị trí UC cyclotron Berkeley 11-inch UC cyclotron Berkeley 27-inch UC cyclotron Berkeley 37-inch UC cyclotron Berkeley 60-inch UC cyclotron Berkeley 184-inch Berkeley cyclotron Rad Lab[1] Năm hoạt động Laboratory Hạt Động gia tốc 1931 Tròn H2+ 1932 Tròn Proton 1932-1936 Tròn Deuteron 1937-1938 Tròn Deuteron 1939-1941 Tròn Deuteron 1942- Tròn Various Thành 1.0 Kiểm chứng MeV khái niệm 1.2 MeV 4.8 MeV Khám phá kiểm chứng tương tác hạt Deuteron Khám phá MeV chất đồng vị 16 Khám phá MeV chất đồng vị >100 MeV Nghiên cứu tách biệt đồng vị urani Được sử dụng để Oak Ridge Calutrons National Dạng 1943- Móng Uranium đồng vị riêng biệt ngựa nuclei cho dự án Manhattan Máy gia tốc xây dựng Lawrence Berkeley National Laboratory, sau biết Berkeley Radiation Laboratory Một số máy gia tốc cổ khác: Bảng 1.2: Synchrotrons Máy gia tốc Cosmotron Vị trí Phòng thí nghiệm quốc tế Brookhaven Birmingham trường đại học Synchrotron Birmingham Bevatron Berkeley Rad Lab ie LBNL Năm hoạt Dạng động 1953-1968 Vòng tròn (72 m ) 1939- Hạt gia tốc Động Proton 3.3 GeV Proton GeV Khám phá mesons nhân tạo Khám phá hạt lạ: 1954-~1970 Đường thẳng Proton 6.2 GeV s,antiproton, antineutron Bevalac, kết hợp Quan sát nén máy gia tốc thẳng Berkeley Rad Lab ie SuperHILAC Thành LBNL ~1970-1993 Đường thẳng Các hạt nhân hạt nhân, tia đủ vững ion tác dụng lên máy Bevatron khối ung bứu Saturne Saclay, France Synchrophasotron Dubna, Russia GeV December 10 GeV 1949-present lượng tử giả thiết phổ biến, chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho phân tử Trường có tên gọi trường Higgs Là hệ đối ngẫu sóng - hạt, tất trường lượng tử có hạt kèm Hạt kèm với trường Higgs gọi hạt Higgs, hay Higgs boson, boson Higgs, theo tên nhà vật lý Peter Higgs) - LHC giúp hiểu rõ điều Tuy nhiên, việc hạt Higgs có tồn hay không điều nhiều người tranh cãi Từ nhiều năm nay, nhà khoa học truy lùng loại hạt gọi "hạt Chúa" Vũ trụ tạo gì? LHC tạo vật chất tối vô hình, loại vật chất nhìn thấy, chiếm tới 96% trọng lượng vũ trụ Cho tới nay, vật lý đại chưa thể giải thích vật chất tối Đặc biệt, LHC đưa ánh sáng hạt gọi "siêu song song" tạo nên vật chất đen 3.4 Thiết kế vận hành Chiếc máy chứa đường hầm vòng tròn với chu vi 27 km, nằm độ sâu từ 50 đến 175 m mặt đất Máy gia tốc hạt ống hình trụ cực lớn, hạt nhỏ nguyên tử gia tăng tốc độ Từ trường bên ống liên tục tắt bật cực nhanh để quay hạt chúng đạt đến siêu vận tốc Các hạt quay ống đạt vận tốc tối đa 288.000 km/s gần với tốc độ Ánh sáng Hơn tăng tốc hai hạt từ hai hướng đối lập ống cho chúng va đập vào nhau, nhà khoa học xé nhỏ thành phần chúng có thành phần tự nhiên điều đồng nghĩa với việc tạo loại hạt mới, siêu Đường kính hầm 3,8 m, có cấu trúc bê tông, xây dựng năm từ 1983 đến 1988 Đường hầm có điểm chạy cắt qua biên giới Pháp - Thụy Sĩ, với phần lớn năm nước Pháp Trên mặt công trình bao gồm nhiều thiết bị hỗ trợ máy nén, quạt gió, thiết bị điện tử điều khiển thiết bị làm mát 33 Đường hầm chứa LHC có hai đường dẫn tia hạt song song sát nhau, giao điểm, đường chứa tia proton, lưu chuyển vòng quanh vòng tròn từ hai hướng ngược Có 1.232 nam châm lưỡng cực giữ cho tia đường tròn, thêm vào 392 nam châm tứ cực dùng để giữ tia hội tụ, để làm cho hội va chạm dòng hạt điểm giao cao Tổng cồng có 1.600 nam châm siêu dẫn trang bị, với nặng lên tới 27 Cần tới khoảng 96 heli lỏng để giữ nam châm hoạt động nhiệt độ 1,9 độ K, khiến cho LHC trở thành thiết bị siêu lạnh lớn giới với nhiệt độ heli lỏng Các nam châm điện tứ cực siêu truyền dẫn dùng để giữ tia hạt tới điểm tương tác, nơi xảy va chạm hạt proton Một hai lần ngày, động hạt proton gia tăng từ 450 GeV lên đến TeV, từ trường nam châm siêu dẫn lưỡng cực tăng từ 0.54 lên 8.3 tesla (T) Các proton đường dẫn có lượng đạt TeV, giúp cho lượng va chạm đối diện đạt 14 TeV Ở mức lượng này, proton có hệ số Lorentz 7.500 di chuyển với vận tốc 99,9999991% vận tốc ánh sáng Mỗi giây chúng bay quanh đường hầm 11,000 vòng Các proton tia liên tục, thay vào tạo thành chùm, với khoảng 2,808 chùm, với số lượng đó, khoảng thời gian va chạm không ngắn 25 ns Khi máy gia tốc lần sử dụng, hoạt động với số chùm hơn, khoảng cách thời gian chùm 75 ns Số chùm sau tăng lên quãng cách cuối 25 ns Trước đưa vào gia tốc chính, hạt qua chuỗi hệ thống làm tăng lượng chúng Hệ thống máy gia tốc hạt tuyến tính Linac gia tốc proton lên động 50 MeV, sau đưa vào máy Proton Synchrotron Booster Các proton tăng tốc lên 1.4 GeV dẫn vào máy Proton Synchrotron (PS), 34 chúng đạt ạt động 26 GeV Cuối c máy Super Proton Synchrotron (SPS) dùng đểể tăng lượng l chúng lên ên 450 GeV trư trước dẫn vào (qua ột giai đoạn 20 phút) v vòng tròn Tại ại chùm ch proton tích lũy tăng tốc ốc lên l lượng đỉnh TeV, cuối ùng chúng đư dự ự trữ 10 đến 24 tiếng va chạm xảy giao điểm Máy LHC ũng đ dùng để tạo va chạm ion nặng ặng chì (Pb) với lượng tương ương tác 1150 TeV Các ion Pb P đư ược gia tốc máy gia tốc ốc tuyến tính Linac 3, ccòn máy phun lượng ợng thấp Low-Energy Low Injector Ring dùng ùng làm b lưu trữ ion vàà làm mát Các ion sau ssẽ gia tốc lên ên thêm băng máy PS SPS trư trước dẫn vào máy LHC, chúng đạt lượng ợng 2,76 TeV tr hạt nhân Sơ đồ 3.1 Máy LHC Tất điều u khiển cho máy gia tốc, dịch vụ củaa ccơ sở hạ tầng kỹ thuật u dư mái nhà Trung tâm Kiểm m soát CERN T Từ đây, tia bên LHC ssẽ thực cho va chạm tạii bbốn địa điểm xung quanh máy gia tốc, c, tương ứng với vị trí phân tích 35 3.5 Bộ phân tích Hình 3.1 Hệ thống LHC Sáu phân tích xây dựng hệ thống LHC, nằm hang lớn bên mặt đất đào điểm giao LHC Hai phân tích hạt đa mục đích có kích thước lớn: ATLAS experiment (A Toroidal LHC Apparatus) Compact Muon Solenoid (CMS)  ATLAS - sử dụng để tìm kiếm dấu hiệu vật lý học mới, bao gồm nguồn gốc khối lượng chiều phụ trợ  CMS - lùng sục hạt Higgs tìm kiếm manh mối chất vật chất tối Hai A Large Ion Collider Experiment (ALICE) LHCb (LHCbeauty) có chức riêng biệt  ALICE – nghiên cứu dạng "lỏng" vật chất gọi quark- gluon plasma, dạng tồn ngắn sau Vụ nổ lớn  LHCb – so sánh lượng vật chất phản vật chất tạo Vụ nổ lớn LHCb cố gắng tìm hiểu chuyện xảy phản vật chất "bị thất lạc" Và hai lại nhỏ nhiều TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation)và LHCf (LHC-forward) dành cho nghiên cứu chuyên môn đặc biệt 36 3.5.1 Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS) Hệ thống gia tốc tuyến tính Hình 3.2 ATLAS Hơn 1700 nhà khoa học từ 159 viện 37 quốc gia làm việc thử nghiệm ATLAS (June 2006) Kích thước: dài 46 m, cao 25 m rộng 25m Trọng lượng: 7000 Địa điểm: Meyrin, Thụy Sĩ 3.5.2 Compact Muon Solenoid CMS ( Van điện nhỏ gọn) Hình 3.3 CMS Hơn 2000 nhà khoa học hợp tác CMS, đến từ 155 viện 37 quốc gia (tháng mười năm 2006) Kích thước: dài 21 m, rộng 15 m 15 m cao Cân nặng: 12 500 Địa điểm: Cessy, Pháp 37 3.5.3 A LARGE ION COLLIDER EXPERIMENT ALICE ( Thử nghiệm va chạm ion lớn) Hình 3.4 ALICE Một phối hợp 1000 nhà khoa học từ 94 viện 28 quốc gia công trình thử nghiệm ALICE (June 2006) Kích thước: dài 26 m, cao 16 m, 16 m rộng Cân nặng: 10 000 Địa điểm: St Genis-Pouilly, Pháp 3.5.4 Large Hadron Collider beauty LHCb Hình 3.5 LHCb Các LHCb hợp tác khoa học có 650 từ 48 viện nghiên cứu 13 quốc gia (tháng năm 2006) Kích thước: dài 21m, cao 10m rộng 13m Trọng lượng: 5600 Địa điểm: Ferney-Voltaire, Pháp 38 3.5.5 TOTEM Totem Các thử nghiệm bao gồm 50 nhà khoa học từ 10 viện nghiên cứu quốc gia (2006) Kích thước: dài 440 m, cao m m rộng Cân nặng: 20 Địa điểm: Cessy, Pháp (gần CMS) 3.5.6 Large Hadron Collider forward (LHCf) Các LHCf thử nghiệm bao gồm 22 nhà khoa học từ 10 viện quốc gia (tháng năm 2006) Kích thước: hai máy, máy dài 30 cm, cao 80 cm, rộng 10 cm Cân nặng: 40 kg máy Địa điểm: Meyrin, Thụy Sĩ (gần ATLAS) 3.6 Quá trình hoạt động 10/09/2008: bắt đầu vào hoạt động Những tia hạt dẫn vào máy ngày 10 tháng năm 2008, phải chờ khoảng đến tuần sau có đợt va chạm với lượng cực lớn Năng lượng hạt proton phóng vào ống 0,45 tera-electron-volts (1 TeV = triệu triệu electron-volts) Từ đến cuối năm, lượng tăng lên đến TeV để đến năm 2010, LHC chạy hết công suất, đạt TeV, nghĩa proton va vào nhau, chúng tạo lượng 14 TeV Cụ thể, va chạm giải phóng lượng tương đương lượng đàn 14 muỗi sinh ra, tập trung vào không gian nhỏ 1/1000 tỷ lần so với độ lớn thể muỗi Sức công phá cao nhiều so với sức công phá máy gia tốc hạt nhân trước Đường hầm hình tròn dài 27 km độ sâu từ 50 đến 171 mét lòng đất giáp biên giới Pháp - Thụy Sĩ nhà chứa máy khổng lồ trị giá 39 tỉ USD Hệ thống dò hạt nguyên tử hạ nguyên tử với tên gọi ATLAS diện tích 46 mét x 25 mét với trọng lượng 7000 dùng để ghi nhận kết va chạm hai tia hạt hạ nguyên tử gắn liền với dây cáp dây điện đủ để bao quanh Trái Đất lần Máy LHC chế tạo để va chạm hai tia protons (còn gọi hadrons) với nguồn lượng TeV Một TeV (1,000,000,000,000 electron volts - tetra electron volts) tương đương với nguồn lượng di động muỗi Khả máy gia tốc hạt LHC nhét nguồn lượng 7,000,000,000,000 muỗi vào khoảng không gian 1/1000000 diện tích muỗi Mỗi tia proton chứa vài 3000 nhóm protons với nhóm khoảng 100 triệu protons chạy vòng quanh đường hầm tăng tốc lướt qua 7000 khối nam châm với từ trường điều khiển đìện lực giữ nhiệt độ thấp chất Helium dạng lỏng Hai tia protons đạt đến vận tốc 99.999999% vận tốc ánh sáng trước va chạm tốc độ Sự va chạm quan sát nguồn lượng 17 TeV với hy vọng khám phá tìm hiểu hạt hạ nguyên tử thần bí với tên gọi Higg Boson particle (còn gọi God particle) 19/09/2008: kết nối điện nam châm bị hỏng, gây phản ứng dây chuyền dẫn đến hư hại nặng: Một số nhiều nam châm khổng lồ tạo nên trái tim máy gia tốc trở nên nóng - hay lạnh Việc sửa chữa cỗ máy giá tỉ euro kéo dài nhiều tháng Dự tính đến Tháng 9-2009 hoạt động trở lại 3.7 Chi phí Tổng chi phí cho dự án yêu cầu mức từ 3,2 đến 6,4 tỷ € (EURO) Công trình xây dựng mang tên LHC đồng ý vào năm 1995 với kinh phí 2,6 tỷ franc Thụy Sĩ (1,6 tỷ €), công với 140 triệu € cho nghiên cứu Tuy nhiên, chi phí tăng lên, theo ước lượng năm 2001, máy gia tốc cần chi phí 300 triệu € (480 triệu franc), thí nghiệm cần 30 triệu € (50 40 triệu franc), với việc cắt giảm chi phí CERN, thời gian dự kiến hoàn thành chuyển từ năm 2005 sang tháng năm 2007 Những nam châm siêu dẫn cần mức giá tăng thêm 120 triệu € (180 triệu franc) Ngoài có nhiều trở ngại việc xây hang ngầm cho máy Compact Muon Solenoid 3.8 Thông tin Chu vi vòng tròn xác LHC 26 659 m, với tổng số 9300 khối nam châm bên LHC không máy gia tốc hạt lớn giới, cần phần tám hệ thống phân phối làm lạnh đủ điều kiện tủ lạnh lớn giới Tất nam châm có sẵn làm nguội -193,2 ° C (80 K) cách sử dụng 10 080 nitơ lỏng, trước chúng làm đầy với gần 60 chất lỏng Helium để mang lại cho xuống -271,3 ° C (1,9 K) Hình 3.6 Các thùng Helium 3.9 Sự an toàn LHC Có người cho máy hoạt động, có nhiều khả lỗ đen nhân tạo hình thành nuốt chửng Trái Đất Có người lại cho va chạm tạo thành hạt nguyên tử hai thể loại vật chất phản vật chất Theo lý thuyết hạt va chạm tiêu hủy vụ nổ hạt nhân 41 Các phần tử cuồng tín cho máy LHC vũ khí đem đến ngày tàn giới Thậm chí có người cho máy LHC tạo nên lỗ hổng không gian gọi Wormhole dimensional flux mà từ tuôn điều bất ngờ khó lường Nhìn chung giấc mơ thiên đàng đọc giả khoa học giả tưởng trước viễn ảnh bị gò bó Thái Dương Hệ không đạt vận tốc ánh sáng Và ác mộng người sợ không biết, đồng thời không muốn biết Những chùm tia bao gồm hạt có lượng cao phóng vào khí Trái Đất với tên gọi xạ vũ trụ có lượng 1020 eV, tương đương với lượng trọng tâm 100 TeV Nhưng Trái Đất Hơn nguồn lượng tối đa LHC hai tia proton va chạm 14 TeV, khả tạo lỗ đen nhân tạo chuyện bất cập Theo nghiên cứu giáo sư Steve Giddings thuộc ĐH California Michelangelo Mangano thuộc CERN, lỗ đen mini bốc vài phần triệu giây theo lý thuyết bác học người Anh Stephen Hawking Một đặc tính lỗ đen phát nhiệt gọi Hawking radiations Dựa vào nguyên lý học lượng tử, chuyên gia vật lý học thiên văn học kết luận lỗ đen lỗ đen nhỏ trạng thái ổn định phải có trọng lượng Plank mass khoảng 2.43 x1018 GeV/c2 Nhỏ lỗ đen phát nhiệt nhiều hút nhỏ dần trước biến Trên lý thuyết, lỗ đen nhỏ ổn định tăng trưởng có diện tích tối thiểu 0,04 phần Mặt Trời Lỗ đen nhân tạo mà LHC tạo (cho dù có thể) không to bắng đầu cọng tóc bạn, sau thoát nhiệt, biến Việc khởi động LHC gặp phải phản đối mạnh số nhà khoa học cho cỗ máy tạo “lỗ đen mini" nuốt chửng 42 Trái đất Một số người khác e ngại tạo vật chất lạ (chỉ tồn lý thuyết), biến hành tinh thành khối vật chất lạ, nóng bỏng Nhà vật lý tiếng người Anh, Martin Rees, ước tính khả LHC gây thảm họa toàn cầu nhỏ (xác suất 1/50.000.000 ) 3.10 Tìm số hạt 3.10.1 Tìm hạt Higgs Các chuyên gia vật lý học vũ trụ học cho sau tượng Big Bang xảy ra, vũ trụ có lượng mà trọng lượng Khoa học gia Peter Higg (nhà vật lý người anh) năm 1964 sáng chế lý thuyết hạt hạ nguyên tử thần bí không hữu với tên gọi hạt Higg Boson Hạt hữu chốc lát sau tượng Big Bang với vai trò hoán chuyển lượng thành trọng lượng vật chất Những khám phá hạt Higg Boson giúp hiểu thêm hình thành vạn vật vũ trụ sau tượng Big Bang Các cú sốc proton bên LHC - máy gia tốc hạt nhân lớn giới giải phóng nóng mạnh gấp 100.000 lần nóng tâm mặt trời cho phép dò tìm hạt Higgs Đó mong đợi nhà khoa học nổ lực CERN Lý thuyết đưa giả thuyết cho có dạng lưới biểu trưng cho trường Higgs phủ đầy vũ trụ Giống trường điện từ, có ảnh hưởng tới hạt di chuyển xuyên qua nó, liên hệ với vật lý chất rắn Các nhà khoa học biết electron qua mạng tinh thể nguyên tử điện tích dương, khối lượng electron tăng lên gấp 40 lần Điều với trường Higgs, hạt di chuyển nó, bị bóp méo chút - giống đám đông vây quanh điện ảnh bữa tiệc - truyền khối lượng cho hạt Đây hạt giả thiết, sinh chế tương tác qua lại với hạt nguyên thuỷ để hạt có khối lượng 43 đo Nó sản phẩm mô hình chuẩn lý thuyết thống hạt Hình 3.9 Mô hình truy tìm hạt Higgs Trong vài thập kỷ qua, giới vật lý hạt xây dựng mô hình lý thuyết, tạo nên khung kiến thức hạt lực tự nhiên Một thành phần mô hình trường lượng tử giả thiết phổ biến chịu trách nhiệm cung cấp khối lượng cho phân tử Trường có tên gọi trường Higgs Là hệ đối ngẫu sóng-hạt, tất trường lượng tử có hạt kèm Hạt kèm với trường Higgs gọi hạt Higgs, hay Higgs boson, boson Higgs, theo tên nhà vật lý Peter Higgs Vì trường Higgs chịu trách nhiệm khối lượng, việc hạt có khối lượng nhiều nhà vật lý coi dấu hiệu cho thấy tồn trường Higgs Giả sử hạt Higgs tồn tại, suy luận khối lượng dựa tác động mà tạo thuộc tính hạt trường khác Tuy nhiên, việc hạt Higgs có tồn hay không điều nhiều người tranh cãi 3.10.2 Tìm hạt nơtron Các máy gia tốc làm nguồn nơtron có nhứng ưu điểm lớn Cường độ dòng nơtron đạt lớn vài bậc so với nguồn đồng vị Bằng máy gia tốc, thu chùm nơtron đơn tốt có lượng 44 Cũng tạo chùm nơ tron dạng xung thích hợp cho phép đo theo nguyên lí thời gian bay Có nhiều loại máy gia tốc để làm nguồn nơtron dựa nguyên lý sau: Có thể thu nơ tron đơn dựa phản ứng (p, n) (d, n) với chùm đơtron proton máy gia tốc Van-de-Graph Đôi người ta sử dụng xicrotron để thay đổi lượng hạt gia tốc thu nơtron đơn Phản ứng (d, n) thích hợp để thu nơtron lượng thấp (dưới MeV) Bia sử dụng đơtri, liti, triti berili Kết hợp với máy gia tốc đơn giản lượng thấp có dòng lớn, thu chùm nơtron liên tục xung Có thể thu chùm nơtron mạnh máy gia tốc electron thẳng dựa vào phản ứng (  , n) Những nguồn nơtron loại dùng cho phổ kế làm việc theo nguyên tắc thời gian bay Cũng có chùm nơtron thu từ phản ứng (p, n) (d, n) xiclotron xincroxiclotron phục vụ mục đích 3.10.3 Tìm hạt Z0 Máy gia tốc Stanford Linear Collider (SLC) đặt Palo Alto với lượng toàn phần 100 Gev Dựa va chạm electron positron nhằm tìm kiếm Z0 3.10.4 Tìm top quark Máy gia tốc Tevatron (FNAL) đặt Chicago, lượng toàn phần Tev Với máy gia tốc khẳng định Z0, W0 phát top quark với va chạm protron phản proton 3.10.5 Tìm hạt quark-gluon plasma (Tiểu Big Bang) Máy gia tốc Relativistic Heavy Ion Collier (BNL-RHIC) xây dưng Brookhaven (thuộc bang Georgia Mỹ) với lượng toàn phần 200 GeV tạo nên quark-gluon plasma (Tiểu Big Bang) 45 KẾT LUẬN Đề tài trình bày sử dụng máy gia tốc hạt để nghiên cứu hạt nhân tìm số hạt chuyên ngành vật lý lí thuyết Đề tài thực với mong muốn đóng góp kinh nghiệm giúp bạn đọc nghiên cứu nhiều sâu máy gia tốc hạt ứng dụng tìm hạt Dù cố gắng song bước đầu bắt tay vào nghiên cứu, trình độ kinh nghiệm thân có hạn thời gian không cho phép nên nhiều vấn đề chưa đề cập tới Bởi lần đầu làm quen với công việc nghiên cứu khoa học nên khóa luận không tránh khỏi thiếu sót hạn chế Em mong nhận góp ý quý thầy cô bạn để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Phạm Thị Tâm 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Thúc Tuyền (2007), Lý thuyết Hạt Cơ Bản, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Phạm Đình Khang (2007), Giáo trình Vật lý Nơtron, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Vũ Thanh Khiết - Nguyễn Thế Khôi – Vũ Ngọc Hồng, Giáo trình Điện Đại Cương (Tập 3, in lần thứ hai), NXB Giáo Dục Trần Đức Thiệp (2002), Máy Gia Tốc, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực HOÀNG PHÚC HUẤN PHẠM THỊ TÂM 47 [...]... phần cơ bản chiếm tới 70% vật chất trong vũ trụ 2.4 Một số hình ảnh về máy gia tốc hạt Hình 2.3 Máy gia tốc hạt Tevatron mạnh thứ hai thế giới 28 Hình 2.4 Máy gia tốc Proton Nhật Bản (L-PARC) Hình 2.5 Máy gia tốc Lớn của châu Âu Large Hadron Collider (LHC), đặt ở biên giới Thụy Sĩ-Pháp 29 CHƯƠNG 3 SỬ DỤNG MÁY GIA TỐC ĐỂ TÌM RA MỘT SỐ HẠT CƠ BẢN 3.1 Định nghĩa Máy gia tốc LHC: Chiếc máy gia tốc hạt LHC,... chất nội tại của hạt đó Các hạt cơ bản như electron có thể có spin khác 0 2.1.2.5 Số lạ Số lạ là đại lượng đặc trưng lượng tử của các hạt cơ bản, được đưa ra khi nghiên cứu quá trình phân rã của các hạt mêzôn K: K+, K0, và hyperon Υ: Λ0, Σ+, Σ0, Σ- tuân theo định luật bảo toàn số lạ 2.1.2.6 Phản hạt Phản hạt của một hạt sơ cấp là hạt có cùng khối lượng như hạt đã cho, song có một hoặc một số tính chất... Người ta nghiên cứu thời gian sống của hạt cơ bản thông qua lý thuyết xác suất, dựa trên thời gian để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ còn lại 0,5n hạt 2.1.2.3 Điện tích Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và nơtrinô 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 x 10-19 C 2.1.2.4 Spin Spin là một khái... thuyết này, lực điện từ được gây ra bởi sự trao đổi của hạt trường là photon Mô hình chuẩn ghi nhận lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên 2.1.4.3 Tương tác yếu Lực tương tác yếu là 1 trong 4 loại lực cơ bản của tự nhiên xảy ra ở mọi hạt cơ bản, trừ các hạt proton và gluons, ở đó có sự trao đổi của các hạt truyền tương tác là vector W boson và Z boson, gây ra đa số các hiện tương phóng xạ,... hay khối lượng tĩnh của một vật là khối lượng của vật xét trong một hệ quy chiếu mà theo hệ đó, vật là đứng yên Đại đa số vật chất, trừ phôtôn và nơtrinô, đều có khối lượng nghỉ khác không 2.1.2.2 Thời gian tồn tại Các hạt cơ bản đa số có thể phân rã thành các hạt khác Thời gian sống của chúng dao động từ 10-6 đến 10-24 giây Một số ít hạt cơ bản được gọi là bền, có thời gian sống rất lớn, có thể coi... Collider (hệ gia tốc đối chùm hadron khổng lồ) Mục đích chính của nó là phá vỡ những giới hạn và mặc định của mô hình chuẩn - những lý thuyết cơ bản hiện thời của vật lý hạt Thiết bị dùng điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện Máy gia tốc vòng,kiểu Synchrotrons: quĩ đạo của các hạt là đường tròn Được thiết kế để tạo va chạm trực diện giữa các tia proton (một trong các loại hạt cơ bản) với... mặt đất Máy gia tốc hạt là một ống hình trụ cực lớn, trong đó các hạt nhỏ hơn nguyên tử được gia tăng tốc độ Từ trường bên trong ống sẽ liên tục tắt bật cực nhanh để quay các hạt cho đến khi chúng đạt đến siêu vận tốc Các hạt khi quay trong ống sẽ đạt vận tốc tối đa trên 288.000 km/s và như thế là gần với tốc độ của Ánh sáng Hơn thế nữa nếu tăng tốc hai hạt từ hai hướng đối lập nhau trong ống và cho... chất và phản vật chất có số lượng bằng nhau, nhưng chúng ta chỉ nhìn thấy vật chất Điều gì đã xảy ra với phản vật chất? Thử nghiệm đã cho thấy một số hạt phá hủy phản hạt, mà có thể giải thích điều này Một trong những thí nghiệm LHC sẽ nghiên cứu những khác biệt tế nhị giữa vật chất và phản vật chất Tại sao hạt có khối lượng? Tại sao một số hạt có khối lượng, trong khi khác lại không? Hạt electron và. .. tương ứng và 6 phản hạt của chúng Tất cả các lepton điện tích đều có điện tích là -1 hoặc + 1 (phụ thuộc vào việc chúng là hạt hay phản hạt) và tất cả các neutrino cùng phản neutrino đều có điện tích trung hòa Số lepton của cùng một loại được giữ ổn định khi hạt tham gia tương tác, được phát biểu trong định luật bảo toàn số lepton Bảng 2.2 So sánh hạt và phản hạt Hạt điện tích / phản hạt Tên Electron... lớn 3.2 Giới thiệu chung Máy gia tốc hạt LHC là máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới hiện nay được chế tạo bởi CERN, có chu vi là 26 659 m và nằm sâu 100m dưới lòng đất tại khu vực biên giới Pháp - Thụy Sĩ giữa núi Jura và dãy Alps gần Genève, Thụy Sĩ Dự án được cung cấp kinh phí và chế tạo với sự tham gia cộng tác của trên 8000 nhà vật lý của 15 quốc gia (1/2 tổng số chuyên gia lĩnh vực này của toàn ... MỘT SỐ HẠT CƠ BẢN" Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo, hoạt động máy gia tốc hạt - Máy gia tốc hạt sử dụng để nghiên cứu hạt sơ cấp Đối tượng nghiên cứu - Máy gia tốc hạt - Các hạt. .. gồm 03 chương Chương 1: Máy gia tốc hạt Chương 2: Vai trò máy gia tốc hạt Chương 3: Sử dụng máy gia tốc để tìm số hạt NỘI DUNG CHƯƠNG MÁY GIA TỐC 1.1 Định nghĩa máy gia tốc hạt Thiết bị dùng điện... giới Thụy Sĩ-Pháp 29 CHƯƠNG SỬ DỤNG MÁY GIA TỐC ĐỂ TÌM RA MỘT SỐ HẠT CƠ BẢN 3.1 Định nghĩa Máy gia tốc LHC: Chiếc máy gia tốc hạt LHC, tức Large Hadron Collider (hệ gia tốc đối chùm hadron khổng