Cấu trúc vật chất

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 Particle Physics Ha Noi July 2005 Ha Noi July 2005 2 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 Particle Physics Ha Noi July 2005 Ha Noi July 2005 3 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 Particle Physics Ha Noi July 2005 Ha Noi July 2005 4 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 Particle Physics Ha Noi July 2005 Ha Noi July 2005 5 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 Particle Physics Ha Noi July 2005 Ha Noi July 2005 6 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 Particle Physics Ha Noi July 2005 Ha Noi July 2005 7 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 Particle Physics Ha Noi July 2005 Ha Noi July 2005 8 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 Particle Physics Ha Noi July 2005 Ha Noi July 2005 9 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 Particle Physics Ha Noi July 2005 Ha Noi July 2005 10 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. [...]... 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 xuất hiện không phải chỉ để các tương tác tác dụng lên ! Tất cả các tương tác có thể được suy ra theo cùng một nguyên lý đối xứng của vật chất : Nguyên lý... gồm ba quark : proton (uud), neutron (udd) Pentaquark ? 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 tròn và tuyến tính Hạt bền được gia tốc :... Physics Ha Noi July 2005 Lepton không có cấu trúc (hạt điểm) Lepton tích điện : electron e (1897), muon à (1937), tauon (1975) Lepton trung hòa hay neutrino : e (1953), à (1964), (2000) 25 Các thế 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... chẳng hạn, CP : Thực hiện biến đổi P vào hệ hạt, rồi biến đổi C Thu được hệ phản hạt trong hệ 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... toán học, để bảo Bất biến L() = L(*) toàn điện tích, Lagrangien Hạn chế dạng của phải bất biến dưới phép biến Lagrangien đổi phase của hàm sóng Particle Physics Ha Noi July 2005 22 Các hạt 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...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 lượng tử... 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 tại neutrino (1953) Hai loại neutrino e và à (1964) Thiếu hụt neutrino từ mặt trời : Dao động neutrino (Pontercovo) > neutrino có khối lượng Super Kamiokande, NOMAD, CHORUS... 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 được nghiên cứu Đối xứng là đối tượng nghiên cứu của một ngành toán học, lý thuyết nhóm Sau đây chúng ta khảo sát các loại đối xứng khác nhau Particle Physics Ha Noi July 2005 17 Đối xứng không gian và thời gian Quy luật vật lý được phát biểu trong hệ quy chiếu Tuy nhiên, các quy... tiến thời gian -> bảo toàn năng lượng E, tịnh tiến không gian -> bảo toàn xung lượng P, quay không gian -> bảo toàn moment động lượng L Particle Physics Ha Noi July 2005 18 Đối xứng rời rạc (1) Trong vật lý hạt cơ bản, ngoài đối xứng không-thời gian, các đối xứng rời rạc cho chúng ta biết khả năng xảy ra phản ứng : Chẵn lẻ (nghịch đảo không gian) P (x,t) = (- x,t) Liên hợp điện tích C (biến hạt thành... 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 tất cả các vector isospin trong toàn thể vũ trụ theo cùng . 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. Ha Noi July 2005 2 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