Bài giảng Vật lý 2: Vật lý hạt cơ bản cung cấp cho người học các kiến thức: Các hạt dưới nguyên tử, máy gia tốc và máy dò hạt, các hạt cơ bản, hạt cơ bản và lịch sử vũ trụ. Cuối bài giảng có phần bài tập trắc nghiệm để người học ôn tập và củng cố kiến thức đã học.
Nội dung Các hạt nguyên tử a b c d Vật lý hạt Lê Quang Nguyên www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com Máy gia tốc máy dò hạt Các hạt Hạt lịch sử vũ trụ Câu hỏi trắc nghiệm 1a Mở đầu • Cho đến biết hạt: – – – – – – Photon γ Electron e– Proton p Neutron n π meson: π0, π+, π– tương tác hạt nhân Electron-neutrino νe phân rã β+ • Chúng ta biết phản hạt: – Positron e+ – Phản electron-neutrino ν e phân rã β– CuuDuongThanCong.com Mở đầu Các hadrons: baryons mesons Các leptons Phản hạt 1a Mở đầu (tt) • Cho đến nhà khoa học tìm 100 hạt nguyên tử Subatomic particles • Mỗi hạt lại có phản hạt tương ứng • Chúng ta biết bốn loại tương tác, theo cường độ giảm dần: – – – – Tương tác mạnh (hạt nhân) Tương tác điện từ Tương tác yếu (phân rã β) Tương tác hấp dẫn https://fb.com/tailieudientucntt Trong số trường hợp, phản hạt trùng với hạt 1b Các hadrons: baryons mesons • Hadrons hạt thể tương tác mạnh • Chúng có loại tương tác khác • Hadrons chia làm hai loại: – Baryons – Mesons • Các hadrons mang điện dương, âm hay trung hòa Tiếng Hy Lạp Hadron: mạnh Baryon: nặng Meson: trung bình 1b Các baryons • Baryons fermions Fermions: hạt có spin bán nguyên – n, p Nucleons – Λ, Σ, Ω, Δ, Ξ Hyperons • Số baryon B: số lượng tử gán cho baryon – Các baryons có B = +1 – Phản hạt chúng có B = –1 • Trong phản ứng số baryon bảo toàn n → p + e − +ν e Baryon phải xuất cặp phản ứng B: = + + 1c Các leptons 1b Các mesons • Mesons bosons – π, K, η, J/ψ, ρ,Υ Bosons: hạt có spin nguyên • Mesons phản mesons có B = p → n+π + B: = + Meson xuất riêng lẻ phn ng Leptons l cỏc fermions, cú spin ẵ, nhẹ • Khơng thể tương tác mạnh • Đặc trưng số lepton L = 1, phản hạt có L = –1 Thế hệ CuuDuongThanCong.com Lepton Điện Số tích(e) lepton Electron neutrino νe Electron e– –1 Muon neutrino νμ Muon μ– –1 Tau neutrino ντ Tau τ– –1 https://fb.com/tailieudientucntt Le = Lμ = Lτ = 1c Các leptons (tt) 1d Phản hạt • Số lepton hệ bảo tồn phản ứng • P Dirac (1927) tiên đoán tồn phản hạt mở rộng Cơ học lượng tử cho hạt tương đối tính • C D Anderson (1932) phát phản hạt (positron) tia vũ trụ • Phản hạt có điện tích, số baryon, số lepton trái dấu, hay trùng với hạt • Hiện tượng sinh hủy cặp: µ − → e − +ν e +ν µ Le: = – + Các lepton hệ phải xuất cặp Lμ : = + + γ → e− + e+ e − + e + → 2γ Photon phân rã thành cặp hạt - phản hạt Cặp hạt - phản hạt biến mất, tạo photon 2a Máy gia tốc hạt 2b Máy dò hạt • Các nhà khoa học tìm hạt cách: • Các nhà khoa học dùng từ trường để xác định dấu điện tích động lượng hạt • Máy dò muon CMS Fermilab – Tìm kiếm tia vũ trụ – Cho hạt lượng cao đến va chạm máy gia tốc hạt, tạo hạt • Trong máy gia tốc, hạt gia tốc điện từ trường • Máy gia tốc CERN, nơi phát bosons W Z • Mơ hoạt động máy LHC CERN CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3a Các hạt 3b 12 hạt • Thực nghiệm xác nhận thuyết “Mơ hình chuẩn”, theo tất cấu tạo từ 12 hạt phản hạt chúng • Các hạt có spin ½, gồm hai nhóm: – Nhóm leptons – Nhóm quarks • Chúng tương tác thông qua bosons truyền: – tương tác điện từ: photon γ – tương tác yếu: bosons W–, W+, Z0 – truyền tương tác mạnh: gluons g 3d Các boson truyền tương tác 3e Cấu tạo hadrons • Các baryons cấu tạo từ ba hạt quarks • Các phản baryons gồm ba phản quarks • Các mesons cấu tạo từ quark phản quark • Minh họa CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Câu hỏi Trả lời câu hỏi Hạt sau xuất phân rã beta để lượng động lượng bảo tồn? • Đó hạt electron neutrino νe, xuất positron, p → n + e + +ν e (a) alpha (b) neutrino (c) lepton (d) proton • hay phản hạt ν e electron , xuất n → p + e − +ν e • Câu trả lời (b) Câu hỏi Nhóm hạt sau khơng thể tương tác mạnh? Trả lời câu hỏi • Các leptons tương tác mạnh • Câu trả lời (c) (a) Baryons (b) Mesons (c) Leptons (d) Hadrons CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Câu hỏi Hạt sau thuộc nhóm hadrons? (a) Electron (b) Proton (c) Muon (d) Tau Trả lời câu hỏi • Proton baryon thuộc nhóm hadrons • Các hạt lại leptons • Câu trả lời (b) Câu Trả lời câu Hạt sau cấu tạo từ quark phản quark? • Pion meson, quark phản quark tạo nên • Câu trả lời (c) (a) Electron (b) Proton (c) π meson (pion) (d) Neutron CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Câu Trả lời câu Hạt Ξ– baryon có spin s = ½ điện tích q = –1 Hạt chứa hai quark lạ tổ hợp ba quark Đó tổ hợp sau đây? • Biết điện tích quark u 2/3, quark d s –1/3, điện tích tổ hợp là: (a) (ssd) (b) (sdu) (c) (usd) (d) (ssu) Tổ hợp Điện tích (a) ssd –1/3 – 1/3 – 1/3 = –1 (b) sdu –1/3 – 1/3 + 2/3 = (c) usd 2/3 – 1/3 – 1/3 = (d) ssu –1/3 – 1/3 + 2/3 = • Câu trả lời (a) Minh họa CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... e − + e + → 2γ Photon phân rã thành cặp hạt - phản hạt Cặp hạt - phản hạt biến mất, tạo photon 2a Máy gia tốc hạt 2b Máy dò hạt • Các nhà khoa học tìm hạt cách: • Các nhà khoa học dùng từ trường... Phản hạt • Số lepton hệ bảo toàn phản ứng • P Dirac (1927) tiên đoán tồn phản hạt mở rộng Cơ học lượng tử cho hạt tương đối tính • C D Anderson (1932) phát phản hạt (positron) tia vũ trụ • Phản hạt. .. định dấu điện tích động lượng hạt • Máy dò muon CMS Fermilab – Tìm kiếm tia vũ trụ – Cho hạt lượng cao đến va chạm máy gia tốc hạt, tạo hạt • Trong máy gia tốc, hạt gia tốc điện từ trường • Máy