TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  TÁC GIẢ: NGUYỄN THỊ NGỌC HẰNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  TÁC GIẢ: NGUYỄN THỊ NGỌC HẰNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM NGÀNH : SƯ PHẠM VẬT LÝ MSSV: K33102017 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TSKH LÊ VĂN HOÀNG TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2011 LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Hoàng, người tận tình hướng dẫn, động viên tạo điều kiện thuận lợi giúp hoàn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin gởi lời tri ân đến quý thấy cô Khoa Vật Lý – Trường ĐHSP TP HCM tận tình giảng dạy, trạng bị kiến thức quý báu cho suốt năm học vừa qua Sự tận tụy thầy cô gương để suốt đời noi theo phấn đấu cho nghiệp giáo dục Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất bạn bè giúp đỡ, động viên, khích lệ suốt trình làm luận văn năm tháng giảng đường đại học Cuối thể hết biết ơn gia đình, ba, mẹ, anh chị tạo điều kiện thuận lợi vật chất lẫn tinh thần giúp vững tâm học tập suốt năm học đại học suốt thời gian làm luận văn Xin gửi lời chúc sức khỏe đến thầy cô, gia đình bạn bè TP Hồ Chí Minh, ngày 29-4-2011 Nguyễn Thị Ngọc Hằng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN T T MỤC LỤC T T DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT T T DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ T T DANH MỤC CÁC BẢNG THỐNG KÊ 10 T T LỜI MỞ ĐẦU 11 T T Chương 1: Lý thuyết đơn cực từ 14 T T 1.1 Lịch sử đơn cực từ 14 T T 1.2 Đơn cực từ Dirac 17 T T 1.3 Những động lực vật lý để tìm kiếm đơn cực từ 22 T T 1.3.1 Sự tồn đơn cực từ giải thích lượng tử hóa điện tích 22 T T 1.3.2 Hệ phương trình Maxwell mở rộng đối xứng với đơn cực từ 24 T T 1.3.3 Đơn cực từ lý thuyết thống lớn 25 T T 1.4 Đặc tính đơn cực từ 28 T T 1.4.1Khối lượng đơn cực từ 28 T T 1.4.2 Phản ứng đơn cực từ từ trường 32 T T 1.4.3 Phản ứng đơn cực từ với vật chất 33 T T 1.5 Kĩ thuật tìm kiếm đơn cực từ 34 T T 1.5.1 Máy dò cảm ứng siêu dẫn 34 T T 1.5.2 Máy dò ion hóa 36 T T 1.5.3 Máy dò dấu vết hạt nhân (NTD) 38 T T Chương 2: Tìm kiếm đơn cực từ tự nhiên 42 T T 2.1 Đơn cực từ GUT 42 T T 2.1.1 giới hạn tìm kiếm vật lý thiên văn vũ trụ 43 T T 2.1.2 Tìm kiếm đơn cực từ bị giữ vật chất 45 T T 2.1.3 tìm kiếm đơn cực từ xạ vũ trụ 46 T T 2.2 Một thể đơn cực từ môi trường vật chất đông đặc 54 T T Chương 3: tìm kiếm đơn cực từ máy gia tốc 62 T T 3.1 Lý thuyết tạo đơn cực từ máy gia tốc tính toán mặt cắt 64 T T 3.2 mô hình thí nghiệm gián tiếp: 69 T T 3.3 Mô hình thí nghiệm trực tiếp: 74 T T 3.4 Thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ tương lai 77 T T 3.4.1 Thí nghiệm MoDAL LHC [19] 77 T T 3.4.2 Dự tích tìm kiếm đơn cực từ Relativistic Heavy Ion Collider T (RHIC) [20] 79 T KẾT LUẬN 81 T T TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 T T DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GUT: Lý thuyết thống lớn ( the Grand Unification Theories) SQUID: máy dò cảm ứng siêu dẫn (Superconducting Quantum Interference Device) NTD: máy dò dấu vết hạt nhân (Nuclear Track Detector) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hai cực nam châm bị tách thành hai đơn cực từ Error! T T Bookmark not defined Hình 1.2: Đường sức điện trường lưỡng cực điện; đường sức từ trường T nam châm Error! Bookmark not defined T Hình 1.3: Từ trường cuộn dây solenoid sinh Error! Bookmark not defined T T Hình 1.4: Hạt điện tích từ trường đơn cực từError! T Bookmark not T defined Hình 1.5: Chỉ số chạy số nối lý thuyết thống Error! T T Bookmark not defined Hình 1.6: Cấu trúc đơn cực từ Error! Bookmark not defined T T Hình 1.7: Tương tác đơn cực muon cao tương tác phản đơn cực .Error! T T Bookmark not defined Hình 1.8: Sự hủy diệt 𝑒 + 𝑒 − sinh Z, Z → 3γ gây đơn cựcError! Bookmark not T T defined Hình 1.10: Sơ đồ máy dò siêu dẫn Error! Bookmark not defined T T Hình 1.11: Dòng đơn cực từ sinh dòng lưỡng cực từ sinh qua cuộn T dây siêu dẫn Error! Bookmark not defined T Hình 1.12 : Sự mát lượng đơn cực từ với từ tích 𝑔 = 𝑔𝐷 chất lỏng T hydrogen hàm theo 𝛽 Error! Bookmark not defined 20T Hình 1.13 Năng lượng mát đơn cực proton không khí Error! T Bookmark not defined T Hình 1.14: Sự phá vỡ liên kết cao phân tử hạt tích bay quaError! Bookmark T T not defined Hình 1.15: Nguyên tắc ăn mòn NTD Error! Bookmark not defined T T Hình 1.16 So sánh thiệt hại hạt 𝛽 thấp 𝛽 cao NTD Error! T T Bookmark not defined Hình 1.17 Ảnh quét hiển vi điện tử etch-pit tạo ions Fe 26 keV/u với T 𝛽 = 0.007 Error! Bookmark not defined 20T Hình 2.1: Máy dò Macro phòng thí nghiệm Gran SassoError! T T Bookmark not defined Hình 2.2: Các giới hạn thông lượng MACRO theo β đơn cực từ GUT T T Error! Bookmark not defined Hình 2.3: Minh họa xúc tác đơn cực phân rã proton giới hạn thông T lượng đơn cực từ tạo phân rã proton MACRO Error! Bookmark not defined T Hình 2.4: Các giới hạn thông lượng đơn cực từ trung cấp với khối lượng T 𝑚𝑀 = 1010 𝐺𝑒𝑉 theo 𝛽 giới hạn thông lượng đơn cực từ trung cấp từ thí nghiệm SLIM Error! Bookmark not defined T Hình 2.5: Sự kiện Valentine đơn cực từ Error! Bookmark not defined T T Hình 2.6: Cấu hình Dy2Ti2O7 nguyên tử oxygenError! T T Bookmark not defined Hình 2.7: Mạng pyrochlore moment từ spin tinh thể Dy Ti O R R R R R R ……….54 Hình 2.8: Vị trí hydroden tinh thể băng nước tứ diện từ pyrochlore …………………………………………………………………………….55 Hình 2.9: Tứ diện mang pyrochlore với mô hình tạ moment từ spin T T Error! Bookmark not defined Hình 2.10: Mô trình kích thích spin quay đảo tạo giả đơn cực từ T mạng lưới drychlore Error! Bookmark not defined T Hình 2.11: Các đơn cực dây Dirac kết nối băng spin nhân tạo Error! T T Bookmark not defined Hình 2.12: Nhận dạng đơn cực trình đảo ngược từ hóa Error! T T Bookmark not defined Hình 2.13: Sự tạo tách cặp đơn cực - phản đơn cực dây Dirac Error! T T Bookmark not defined Hình 3.1: Quá trình Drell-Yan tạo cặp muon cặp đơn cực-phản đơn cực T T Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Các mặt cắt đơn cực tạo chế Drell-Yan va chạm pp, T T1 AuAu PbPb phù hợp với lượng RHIC LHCError! Bookmark T not defined Hình 3.3 Tính toán mặt cắt tạo chế Drell-Yan va chạm AuAu pp T RHIC Error! Bookmark not defined T Hình 3.4 Tính toán mặt cắt tạo chế Drell-Yan va chạm pp chì T chì LHC Error! Bookmark not defined T Hình 3.5 Các giới hạn mặt cắt đơn cực Dirac với khối lượng thu từ thí T nghiệm tìm kiếm máy gia tốc với mặt cắt dự kiến RHICError! T not defined Bookmark Hình 3.6 Các giới hạn mặt cắt đơn cực Dirac với khối lượng thu từ thí T nghiệm tìm kiếm máy gia tốc với mặt cắt dự kiến LHCError! T Bookmark not defined Hình 3.7: Tập hợp sắt từ vùng va chạm I3Error! T Bookmark T not defined Hình 3.8: Hệ thống dò đơn cực Error! Bookmark not defined T T Hình 3.9: Dãi nhôm Error! Bookmark not defined T T Hình 3.10: Sơ đồ thể nguyên tắc phương pháp siêu dẫnError! T T Bookmark not defined Hình 3.11: Các dòng liên tục đo sau qua máy dò từ, đồ thị số mẫu lấy T từ hai dãi từ ống dẫn trung tâm cắt thành nhiều phần ngắnError! Bookmark T not defined Hình 3.12: Mô hình thực nghiệm CERN ISR Error! Bookmark not defined T T Hình 3.13: Dấu vết để lại bảng nitơ Error! Bookmark not defined T T Hình 3.14: Sơ đồ thí nghiệm CERN ISR Error! Bookmark not defined T T Hình 3.15: Thí nghiệm LHCb với máy dò MOEDAL máy gia tốc CERN LHC T T Error! Bookmark not defined Hình 3.16: Sơ đồ bố trí mày dò MoDAL xung quanh vùng va chạm Error! T T Bookmark not defined Hình 3.17: Cấu tạo NTD máy dò MoDALError! Bookmark not T T defined Hình 3.18: Mặt cắt máy dò đơn cực điều lạnh T T Error! Bookmark not defined Hình 3.8: hệ thống dò đơn cực T • Thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ dán tiếp thực DESY HERA [7] T Thí nghiệm thực va chạm 𝑒 + 𝑝 lượng 300 GeV , đơn cực từ có spin giả T 21T định sinh từ tương tác đàn hồi photon - photon xạ từ electron proton 𝑒 + 𝑝 → 𝑒 + 𝑀𝑀− 𝑝 đơn cực từ có spin ½ giả định sinh từ tương tác photon21T photon không đàn hồi, photon xạ từ electron photon xạ từ quark nằm proton 𝑒 + 𝑝 → 𝑒 + 𝑀𝑀− 𝑋 (với X trang thái bất kỳ) 21T Đơn cực từ sinh bị chặn lại ống dẫn tia nhôm bao quanh vùng va chạm T năm 1995-1997, sau ống dẫn cắt thành dãi mỏng cho qua cuộn dây siêu dẫn kết hợp với SQUID để kiểm tra tồn đơn cực từ Ống dẫn bao quanh điểm qua chạm có đường kính 0.9 cm bề dày 1.7 mm T phạm vi – 0.3 < z < 0.5m đường kính 11.0 cm bề dày 2mm phạm vi 0.5 < z< 2m Trong suốt trình HERA hoạt động nhúng từ trường solenoid 1.15 T có phương song song với ống dẫn, dọc theo trục z Chiều dài ống phủ kín đoạn -0.3 < z [...]... lý thuyết đơn cực từ và các tính chất của đơn cực từ, các động lực để tìm kiếm đơn cực từ và những kỹ thuật để tìm kiếm đơn cực từ, hệ thống, phân loại và phân tích các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ Bài luận văn của tôi được chia thành ba chương chính không kể phần mở đầu và kết luận Chương 1: “ lý thuyết đơn cực từ” tôi trình bày ngắn gọn tất cả các vấn đề cơ bản của đơn cưc từ bao gồm lịch sử đơn. .. thuật dò tìm khác nhau Giúp bạn đọc cái nhìn tổng quan về đơn cực từ, tầm quan trọng của việc tìm kiếm đơn cực từ và hiểu được các bố trí thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ được trình bày ở hai chương tiếp theo Việc tìm kiếm đơn cực từ được chia thành 3 phần: trong chương 2 tôi trình bày phần thứ nhất là tìm kiếm các đơn cực từ trong tự nhiên hình thành trong giai đoạn ban đầu của vũ trụ theo lý thuyết thống... tương tác của hạt nhân đơn cực GUT với một nucleon có thể dẫn đến phản ứng phân rã nucleon (xúc tác đơn cực của phân rã nucleon) 𝑀 + 𝑝 → 𝑀 + 𝑒 + + 𝜋 0 1.5 Kĩ thuật tìm kiếm đơn cực từ Dựa vào các tính chất của đơn cực từ người ta đã xây dựng các kỹ thuật tìm kiếm khác nhau Các máy dò được sử dụng để tìm kiếm đơn cực từ dựa vào sự cảm ứng và sự ion hóa Có ba lạoi máy dò đơn cực cơ bản như sau [7] 1.5.1... là về thực nghiệm tìm kiếm Bài luận văn của tôi với mục đích hệ thống hóa các kiến thức cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm của đơn cực từ một cách đơn giản, dễ hiểu và lý thú để phục vụ cho đối tượng sinh viên và học sinh muốn tìm hiểu về đề tài này Đơn cực từ được nghiên cứu trong nhiều không gian nhiều chiều khác nhau nhưng trong phạm vi của một luận văn tốt nghiệp tôi chỉ chọn tìm hiểu về đơn cực từ... gồm lịch sử đơn cực từ, lý luận của Dirac về sự tồn tại của đơn cực từ, những động lực thúc đẩy việc tìm kiếm đơn cực từ bao gồm sự lượng tử hóa của điện tích, hệ phương trình Maxwell đối xứng và sự hiện diện của đơn cực từ trong các lý thuyết khác nhưng ở đây tôi chỉ tập trung vào một lý thuyết duy nhất là lý thuyết thống nhất lớn Trong chương này tôi còn trình bày các tính chất của đơn cực từ, từ những... khối lượng đơn cực từ trong các mô hình lý thuyết khác nhau T 0 2 T 0 2 Error! Bookmark not defined Bảng 2.1: Thống kê các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ trong vật chất Error! T 0 2 T 0 2 Bookmark not defined Bảng 2.2: Thống kê tất cả các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ trong bức xạ vũ trụ T 0 2 T 0 2 Error! Bookmark not defined Bảng 3.1: Thống kê các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ... Sự chuyển đổi này tạo ra các đơn cực từ với khối lượng ở cấp 1010 GeV Các đơn cực P P còn lại sau lạm phát là ổn định với từ tích 2𝑔𝐷 Các đơn cực này không xúc tác phân rã nucleon Cấu trúc đơn cực từ trung cấp tương tự như đơn cực từ GUT nhưng lỗi trung tâm lớn hơn 1.4 Đặc tính của đơn cực từ 1.4.1Khối lượng đơn cực từ Khối lượng đơn cực từ được ước lượng trong nhiều lý thuyết khác nhau Nhưng vẫn chưa... photon "thực sự" có thể được phát hiện trong phòng thí nghiệm Các nhà vật lý ở Fermilab hiện đang tìm kiếm các dấu hiệu như vậy của các đơn cực Theo lý thuyết này, một giới hạn thực nghiệm được đưa ra bởi nhóm cộng tác D0, theo đó giới hạn khối lượng đơn cực M: > 610 GeV đối với s = 0, > 870 GeV đối với s = 1/2 và > 1580 GeV đối với s = 1, s là Spin của đơn cực Nếu biết được khối lượng đơn cực từ,... đơn cực từ GUT và phần thứ hai là tìm kiếm một dạng đơn cực từ trong môi trường vật chất đông đặc Trong chương 3 tôi trình bày phần thứ ba là tìm kiếm các đơn cực từ sinh ra trong máy gia tốc Trong hai chương này tôi không trình bày cụ thể tất cả các thí nghiệm mà chỉ trình mô hình tổng quát sau đó phân tích một vài thí dụ để người đọc hiểu rõ hơn về cơ chế của thí nghiệm Chương 1: Lý thuyết đơn cực. .. đơn cực góp phần điều chỉnh sự phân cực chân không cho muon có từ tính bất thường Sơ đồ tương tác đơn cực muon cao và tương tác phản đơn cực như hình 1.7 Trên thực tế dựa vào số đo thực hiện tại CERN thì khối lượng giới hạn chính xác là 60 GeV Kết quả mới nhất tại thí nghiệm BNL AGS thì khối lượng đơn cực từ có giới hạn dưới m > 240 GeV/𝑐 2 Hình 1.7: (a) Tương tác đơn cực muon cao (b) tương phản đơn