Bài giảng điện tử thao giảng vật lý 12 cấu tạo vũ trụ (2)

Con Người “Biết Suy Nghĩ’ nghĩ điều đầu tiên? Thế giới vật chất cấu tạo gì? Chúng tương tác với nào? Hy Lạp cổ đại: Đất, Nước, Gió, Lửa Năm 1800 – Bảng Phân Loại Tuần Hồn Mendeleev Năm 1897- Thomson tìm electron Năm 1919 - Rutherford tìm proton Năm 1932 - Chadwick tìm neutron Khám phá hồn tồn ngun tử Năm 1932 xem năm vật lý hạt sơ cấp đời Sự mơ tả giới vật chất bao xung quanh hồn tồn tùy thuộc vào câu hỏi ta đặt Một lý thuyết vật lý phù hợp để mơ tả giới vật chất Nhưng lý thuyết khác mơ tả giới vật chất mức độ tinh tế Và thế… Hạt Sơ Cấp - Hạt vi mô hay vi hạt hạt có kích thước vào ~ hạt nhân trở xuống như: photon, electron, posistron, proton, neutron, neutrino…không xét đến cấu tạo bên chúng gọi hạt sơ cấp - Về lượng, ta có lượng liên kết hạt nhân nguyên tử ~ 8MeV, điều kiện để tiến hành nghiên cứu hạt sơ cấp lượng đòi hỏi phải vào ~ GeV tương ứng khoảng cách 10-14 cm, nên vật lý hạt gọi vật lý lượng cao Hạt sơ cấp nghiên cứu chủ yếu - Các máy gia tốc Cấu tạo hadron Tất hadron cấu tạo quarks phản quarks baryon = quarks proton u u meson = quark + phản quark pion (π ) + u d d neutron u d d kaon (K-) s u Ở kích thước nhỏ hơn, cấu tạo nguyên tử trở thành Electrons Quarks Các quark tương tác với nào? Các đặc trưng quark Trong thực tế quan sát quark trạng thái tự do….? Người ta nói quark bò cầm tù ( confinement) Tương tác quark có đặc tính quark lại gần tương tác chúng lại yếu không đáng kể coi quark trạng thái tự do, trái lại khoảng cách tăng lên tương tác chúng trở nên cực mạnh, điều giải thích ta quan sát quark trạng thái tự ( Nobel 2004 D J Gross – H D Politzer – F Wilczek ) Thế tương tác Quark- quark Thế tương tác quark, ban đầu nhìn giống Coulomb Khi đơn vị = bán kính proton Thế tương tác Quark- quark r lớn 1, (PE) tăng khơng giới hạn quark khơng thể khỏi Ta nói quark bị cầm tù! (CONFINEMENT!) Cầm tù quark Quark trạng thái tự quan sát, tồn hadron Đấy trạng thái cầm tù (confinement.) Ví dụ neutron hấp thụ photon lượng cao quark tự thoát bò cầm tù Nếu lượng đủ cao, cặp phản quark-quark tạo ra, pion với proton sản phẩm cuối Dùng mô hình quark giải thích tương tác yếu phân rã beta neutron W- −> e- + ν d −> u + W- proton + W boson proton + electron + anti-neutrino ? Mô Hình Chuẩn Thế giới vi mô mô tả qua câu thơ tuyệt đẹp William Blake To see a world in a grain of sand And a heaven in a wild flower, Hold infinity in the palm of your hand And eternity in an hour … Auguries of Innocence by William Blake (1757 – 1827 ) Nhìn vũ trụ hạt cát Và thiên đường đóa hoa Nắm vô hạn lòng bàn tay Và vónh khắc giây … ( Tạm dòch ) « What I am going to tell you about is what  we teach our physics students in the third or  fourth year of graduate school  It is my task  to convince you not to turn away because you  don't understand it. You see my physics  students don't understand it  That is  because I don't understand it. Nobody  does. » Richard P Feynman, The Strange Theory of Light and Matter « The effort to understand the universe  is one of the very few things that lifts  human life a little above the level of  farce, and gives it some of the grace of  tragedy  » Steven Weinberg [...]... xem như bằng 0 như các hạt neutrino ν hay hạt graviton Điện tích: Hạt sơ cấp hoặc là không có điện tích, hoặc có điện tích là bội số nguyên của điện tích nguyên tố e = 1,6.10-19 C giữ vai trò như một lượng tử điện tích, gọi Q là lượng tử điện tích Q = 0, ±1, ±2,… Spin: - Ngoài các đặc trưng như khối lượng, điện tích, còn có moment spin đặc trưng cho chuyển động nội tại của hạt, được xem như moment động... e- + e+ eEγ > 2 x 511 keV e + moc2 s = 1/2 Each photon gets eγ = mec2 pγ = mec - Các phản hạt cấu tạo nên thế giới phản vật chất e+ moc2 s = 1/2 - Vũ trụ ban đầu có sự tồn tại đối xứng của cả vật chất và phản vật chất, nhưng do phá vỡ đối xứng tự phát nên hiện nay ta chỉ thấy toàn là vật chất ( Nobel 2008 Yoichiro Nambu Makoto, Kobayashi và Toshihide Maskawa) Phá vỡ đối xứng tự phát Phân loại hạt sơ... Pauli, ta không thể quan sát các trạng thái năng lượng âm của electron +mc2 0 - mc2 Vũ trụ chứa đầy một “biển” các năng lượng electron âm “Lổ” trong “biển” Dirac •Giả sử có một “lổ” hay một “bọt” trong biển Dirac năng lượng âm của electron • lổ hành xử như hạt với: +mc2 •* năng lượng dương •* điện tích dương (do vắng một điện tích âm trong biển năng lượng âm) • phản - electron = positron •Phát hiện bởi... mc2) và tạo thành một cặp electron và positron e+mc2 0 - mc2 e+ Sự Sinh và Hủy Cặp • Hủy cặp Electron and positron gặp nhau; electron “lấp đầy lổ trống” và giải phóng năng lượng (photons) e+mc2 0 Hai photons đã được tạo ra (bảo toàn động lượng) - mc2 e+ Sự Sinh và Hủy Cặp s ss e- + e+ ->2γ s e- γ -> e- + e+ eEγ > 2 x 511 keV e + moc2 s = 1/2 Each photon gets eγ = mec2 pγ = mec - Các phản hạt cấu tạo nên... có một phản hạt tương ứng Phản hạt có cùng khối lượng nghỉ, cùng độ lớn điện tích nhưng trái dấu Hạt sơ cấp và phản hạt của nó tạo thành một cặp Ví dụ như proton và phản proton có cùng khối lượng nghỉ và cùng spin bằng ½, nhưng có điện tích là ngược nhau, kí hiệu là p, pÕ Kí hiệu: Hạt X, Phản hạt XÕ - Khi hạt sơ cấp không mang điện như neutron (điều kì lạ là neutron vẫn có moment từ ) thì phản neutron... s = ½ - Boson có s = 0, 1, 2,… nói chung là nguyên như γ, π… Các fermion là các hạt chất cấu tạo nên thế giới vật chất Các boson là các hạt trường truyền tương tác Các hạt trường particle mc2 (GeV) q s γ photon 0 0 1 W± “vector bosons” 79.8 ±1 1 91.2 0 1 gluons 0* 0 1 Mạnh gravitons 0 0 2 Hấp dẫn Z0 g force Điện từ Yếu Leptons particle mc2 (MeV) q s mean lifetime e- electron 0.511 -1 1/2 ∞ e+ µ-...- Các tia vũ trụ Tiến trình khám phá ra các hạt sơ cấp Các đặc trưng chính của hạt sơ cấp: Khối lượng nghỉ m0: - Thường được diễn tả qua đơn vò năng lượng như MeV.c-2, hay GeV.c-2 (qua công thức E0= m0.c2 ) - Ví dụ: me = 0,511 MeV.c-2, mp = 938,3 MeV.c-2, mn = 939,6 MeV.c-2 - Có khối lượng nghỉ bằng 0 như photon, có khối lượng nghỉ xem như bằng 0 như các hạt neutrino ν hay hạt graviton Điện tích:... cặp hạt và phản hạt có thể xảy ra hiện tượng hủy cặp tạo thành photon, hoặc sinh ra một cặp hạt và phản hạt của nó từ những tương tác photon, ví dụ cặp electron và positron: e+ + e- -> γ + γ γ + γ -> e+ + e- Giải thích sự sinh và hủy cặp theo Dirac • 1927 - Paul Dirac đã đề xuất hình thức luận rất độc đáo để giải thích về thế giới vật chất và phản vật chất Các trạng thái năng lượng Các phương trình... ví dụ electron có s = ½ , photon có s = 1, hạt π có s = 0 Ngoài ra còn có moment từ riêng đặc trưng cho bản chất của hạt sơ cấp Chính moment từ riêng này mà ta có thể xác đònh là các hạt sơ cấp còn có cấu trúc nội tại Thời gian sống trung bình: - Một số ít các hạt sơ cấp là bền, thời gian sống là ~ ∞ , cụ thể là 4 hạt p, e, γ, ν Một cách chính xác thì thời gian sống của γ là ∞, của electron là > 4,3.1023... Ξ − Ω− sigma ~1190 xi ~1320 omega 1672 Mesons particle π0 π+ K0 K+ η0 pions kaons eta mc2 (MeV) q s mean lifetime antiparticle 135 0 0 ~10-16 s π0 139.6 +1 0 26 ns π− 493.7 0 0 peculiar K0 497.7 +1 0 12. 4 ns K− 549 0 0 ~10-19 s η0 Các kiểu hạt “Field particles” Bosons (γ, ) All particles Leptons (e±, µ ±, ν, ) others Hadrons Mesons (π ±, π 0 , ) Baryons (p, n, ) ... tồn ngun tử Năm 1932 xem năm vật lý hạt sơ cấp đời Sự mơ tả giới vật chất bao xung quanh hồn tồn tùy thuộc vào câu hỏi ta đặt Một lý thuyết vật lý phù hợp để mơ tả giới vật chất Nhưng lý thuyết... neutrino ν hay hạt graviton Điện tích: Hạt sơ cấp điện tích, có điện tích bội số nguyên điện tích nguyên tố e = 1,6.10-19 C giữ vai trò lượng tử điện tích, gọi Q lượng tử điện tích Q = 0, ±1, ±2,…... pγ = mec - Các phản hạt cấu tạo nên giới phản vật chất e+ moc2 s = 1/2 - Vũ trụ ban đầu có tồn đối xứng vật chất phản vật chất, phá vỡ đối xứng tự phát nên ta thấy toàn vật chất ( Nobel 2008 Yoichiro