Cấu trúc vật chất từ nucleon đến quark

CÊu tróc vËt chÊt CÊu tróc vËt chÊt Tõ Tõ nucleon ®Õn quark nucleon ®Õn quark Summer School 2005 Summer School 2005 NguyÔn MËu Chung NguyÔn MËu Chung Vietnam National University Vietnam National University TrÇn Minh T©m TrÇn Minh T©m EPFL Lausanne Switzerland EPFL Lausanne Switzerland Particle Physics Ha Noi July 2005 2 Tóm tắt nội dung Tóm tắt nội dung Đầu thế kỷ XX : Vật chất, nguyên tử, ánh sáng, phóng xạ. Các tương tác cơ bản, đối xứng. Các hạt cơ bản. Cơ sở thực nghiệm : máy gia tốc, detector. Cơ sở lý thuyết : trường chuẩn. Mô hình chuẩn. Hai vấn đề thời sự : LHC, máy gia tốc tương lai của CERN. Quan hệ Vật lý Hạt cơ bản và vũ trụ học. Thay cho kết luận. Particle Physics Ha Noi July 2005 3 §Çu thÕ kû XX §Çu thÕ kû XX §Çu thÕ kû XX, con ng­êi biÕt :  Nguyªn tö (DÐmocrite), ph©n tö, tinh thÓ.  ¸nh s¸ng, tia X (Roentgen).  C¸c tr¹ng th¸i cña vËt chÊt.  Phãng x¹ (alpha, bªta, gamma).  Electron (J.J. Thomson ®o e/m (1897) ---> khèi l­îng electron < 1/1000 khèi l­îng nguyªn tö. Particle Physics Ha Noi July 2005 4 Nguyªn tö Nguyªn tö  M« h×nh nguyªn tö cña J.J. Thomson.  T¸n x¹ α trªn vµng Rutherford (1909).  Nguån α (Polonium).  Bia vµng l¸ dµy µm.  Detector ZnS (nhÊp nh¸y).  Quan s¸t b»ng kÝnh hiÓn vi. Particle Physics Ha Noi July 2005 5 Phân bố hạt Phân bố hạt Theo mô hình của Thomson, hạt tập trung thành vết trên màn ảnh sau bia. Kết quả thực nghiệm : Phần lớn hạt tập trung thành vết trên màn ảnh sau bia. Một số hạt bị lệch hướng (tán xạ). Một số ít hạt có góc tán xạ lớn (bật ngược trở lại). Kết quả như nhau cho bia vàng, bạc, mica. Particle Physics Ha Noi July 2005 6 Mẫu hành tinh nguyên tử Mẫu hành tinh nguyên tử Hạt nhân : Tích điện dương. Rất nhỏ bé (10 -15 m). Nguyên tử --> sân bóng. Hạt nhân --> quả bóng. Khối lượng nguyên tử tập trung ở hạt nhân. Hạt nhân làm tán xạ hạt . Electron quay quanh hạt nhân. Particle Physics Ha Noi July 2005 7 neutron neutron Hydrogène trong hạt nhân (Rutherford). Bức xạ đâm xuyên (Bother và Becker). Tia năng lượng cao 50 MeV (Curie). Thí nghiệm của Chadwick : Lặp lại thí nghiệm Curie với các nguyên tố khác nhau. Xác định khối lượng neutron, thông qua hạt nhân giật lùi. Particle Physics Ha Noi July 2005 8 H¹t nh©n nguyªn tö H¹t nh©n nguyªn tö  H¹t nh©n gåm proton vµ neutron (nucleon).  Trong nucleon cã c¸c quark hãa trÞ : p(uud), n(udd).  Quark t­¬ng t¸c m¹nh víi nhau th«ng qua gluon.  Nucleon cÊu t¹o tõ quark hãa trÞ, gluon vµ quark biÓn. Particle Physics Ha Noi July 2005 9 Hai vấn đề đầu thế kỷ XX Hai vấn đề đầu thế kỷ XX Tương đối và Lượng tử Tương đối và Lượng tử Vận tốc ánh sáng là hằng số (Michelson và Moreley) mâu thuẫn với quan niệm chung bấy giờ. Được giải quyết nhờ Thuyết tương đối hẹp. Tương tác ánh sáng với vật chất : bức xạ vật đen. Lượng tử hóa ánh sáng khi phát xạ (1900, Planck) Lượng tử hóa ánh sáng khi hấp thụ (1905, Einstein). Khởi đầu Cơ học lượng tử. Particle Physics Ha Noi July 2005 10 C¸c t­¬ng t¸c C¸c t­¬ng t¸c C¸c hiÖn t­îng cña tù nhiªn g¾n liÒn 4 lo¹i t­ ¬ng t¸c :  t­¬ng t¸c ®iÖn tõ,  t­¬ng t¸c h¹t nh©n hay t­¬ng t¸c m¹nh,  t­¬ng t¸c yÕu,  t­¬ng t¸c hÊp dÉn. [...]... cơ bản Vật chất gồm 3 họ quark và leptons ghép theo cặp Quark tham gia cả ba tư ơng tác mạnh, điện từ và yếu Lepton tích điện (e, à, ) tham gia tương tác điện từ và tương tác yếu Neutrino chỉ tham gia tư ơng tác yếu Particle Physics d u Điện tích quark : 2/3 và -1/3 Điện tích lepton : 0 và -1 Proton : (uud) neutron : (ddu) Ha Noi July 2005 23 Quark Điện tích : -1/3 hoặc 2/3 Ba quark đầu tiên,... hệ và cặp Quark và lepton xuất hiện theo cặp Quark và lepton xuất hiện theo thế hệ : Quark : (u d), (c s), (t b) Lepton (e e), (à à), ( ) u d e e c s à à t b Vật chất thông thường chỉ gồm thế hệ thứ nhất Particle Physics Ha Noi July 2005 26 Hadron (hạt tham gia tương tác mạnh) Particle Physics Quark chỉ xuất hiện trong trạng thái liên kết (cầm tù) Meson gồm quark và phản quark : + (ud),... điện từ xác định e và Calorimeter hadron xác định hadron : p, n, Buồng muon xác định muon à Particle Physics Ha Noi July 2005 34 Lý thuyết trường chuẩn cơ sở lý thuyết của Vật lý hạt cơ bản (1) Các hạt cơ bản và các loại tương tác cho phép giải thích các hiện tượng dưới cấp độ hạt nhân Tuy nhiên, các nhà vật lý hiểu rằng còn tồn tại mối liên hệ sâu sắc hơn giữa tương tác và vật chất : vật chất. .. quark : + (ud), (ud) Baryon gồm ba quark : proton (uud), neutron (udd) Pentaquark ? Ha Noi July 2005 27 Cơ sở thực nghiệm cho Vật lý hạt cơ bản Bằng cách nào nhìn thấy hạt cơ bản nhỏ hơn nguyên tử một trăm triệu lần ? Particle Physics Ha Noi July 2005 28 Quan sát vật có kích thước khác nhau Particle Physics Ha Noi July 2005 29 Máy gia tốc Năng lượng biến thành vật chất theo công thức E = mc2 Gia tốc... tương tác có thể được suy ra theo cùng một nguyên lý đối xứng của vật chất : Nguyên lý bất biến chuẩn định xứ Nguyên lý này gắn với đối xứng trong không gian nội tại của quark và lepton Particle Physics Ha Noi July 2005 35 Lý thuyết trường chuẩn cơ sở lý thuyết của Vật lý hạt cơ bản (2) Heisenberg : n và p là 2 trạng thái của nucleon (dẫn đến isospin) -> với tương tác mạnh, không có gì thay đổi khi quay...Tương tác điện từ Được hiểu rõ nhất : Được dùng làm mô hình cho các tương tác khác Nguồn gốc : Tầm tác dụng xa vô hạn Cường độ đặc trưng bằng hằng số cấu trúc tinh tế e = 1/137 = e2/40(h/2)c Điện tích -> điện trường Điện tích chuyển động -> từ trường Điện tích gia tốc -> điện từ trường Lý thuyết : Hệ phương trình Maxwell ! Điện động lực học... -1/3 hoặc 2/3 Ba quark đầu tiên, năm 1963 : u (up), d (down) và s(strange) Quark c (charm), năm 1974 (cách mạng tháng 11) Quark b (beauty hoặc bottom) (1976 tại FermiLab) Quark t (top hoặc truth), FermiLab (tháng 2 năm 1995) Particle Physics Ha Noi July 2005 24 Lepton Particle Physics Ha Noi July 2005 Lepton không có cấu trúc (hạt điểm) Lepton tích điện : electron e (1897), muon à (1937), tauon... phân rã , làm giảm số nucleon dư thừa của hạt nhân Hai loại phân rã - : n > p + e+ : p > p + e+ Phổ và gián đoạn, phổ liên tục : Borh đề nghị từ bỏ định luật bảo toàn năng lượng Pauli (1930) đưa ra giả thuyết neutrino Particle Physics Ha Noi July 2005 14 Neutrino Neutrino (giả thuyết) : Khối lượng bằng không Spin : 1/2 Điện tích bằng không Tương tác yếu với vật chất Thực nghiệm : tồn... Thiếu hụt neutrino từ mặt trời : Dao động neutrino (Pontercovo) > neutrino có khối lượng Super Kamiokande, NOMAD, CHORUS Thí nghiệm tầm xa : Minos, Grand Sasso Particle Physics Ha Noi July 2005 15 Thống nhất tương tác Particle Physics Ha Noi July 2005 16 Đối xứng Đối xứng trong thế giới vĩ mô (tinh thể, bông tuyết, cánh bướm ) Trong vật lý hạt cơ bản, đối xứng liên quan đến hệ động học đang... quy chiếu nghịch đảo Nếu Vật lý quyết định sự tiến triển của hai hệ hạt và phản hạt bất biến dưới biến đổi CP, hai hệ sẽ có đặc tính hoàn toàn giống nhau Người ta cho rằng quy luật Vật lý bất biến dưới biến đổi CPT (Định lý CPT) Particle Physics Ha Noi July 2005 20 Đối xứng trong Chúng ta thấy thí dụ về đối xứng trong khi bàn về hạt nhân gương : tương tác mạnh giữa các nucleon (proton hoặc neutron) . neutron (nucleon) .  Trong nucleon cã c¸c quark hãa trÞ : p(uud), n(udd).  Quark t­¬ng t¸c m¹nh víi nhau th«ng qua gluon.  Nucleon cÊu t¹o tõ quark hãa. CÊu tróc vËt chÊt CÊu tróc vËt chÊt Tõ Tõ nucleon ®Õn quark nucleon ®Õn quark Summer School 2005 Summer School 2005 NguyÔn MËu Chung