Vật lý hạt cơ bản

Nội dung text: Vật lý hạt cơ bản

1. VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 1. Lịch sử hạt cơ bản - Khái niệm hạt cơ bản là gì? Khái niêm hạt cơ bản (còn gọi là hạt sơ cấp) liên quan đến tính rời rạc trong cấu trúc vật chất ở mức độ vi mô, có thể nói là thang bậc tiếp theo sau chuỗi các đối tượng phân tử, nguyên tử, hạt nhân. Thật ra tên gọi của hạt cơ bản ngày nay đã không được hiểu theo nghĩa đen của từ đó, mà chỉ còn mang tính lịch sử. Do kích thước của đối tượng nghiên cứu cũng như do điều kiện năng lượng để tiến hành nghiên cứu, môn vật lý hạt cơ bản còn được gọi là vật lý năng lượng cao, hay vật lý dưới hạt nhân (subnuclear). Năng lượng đặc trưng hiện nay là Giga- electron-volt (GeV)=109eV, tương ứng với khoảng cách ~ 10-14cm = 10-1fermi. Trong tương lai không xa năng lượng sẽ được nâng lên cỡ TeV=103GeV. Để so sánh ta hãy nhớ lại năng lượng liên kết trong hạt nhân nguyên tử chỉ vào cỡ 8MeV=8.106eV. ĐN: Các hạt vi mô (hay vi hạt), những hạt có kích thước vào cỡ kích thước hạt nhân trở xuống, như: photon (y), electron (e- ),pozitron (e+), proton (p), neutron (n), neutrino (v). Khi khảo sát quá trình biến đổi của những hạt đó, ta tạm thời không xét đến cấu tạo bên trong của chúng. Các vi hạt đó được gọi là các hạt cơ bản. - Sự xuất hiện của các hạt cơ bản mới. Hạt cơ bản đầu tiên được tìm thấy là electron e- (Thomson, 1897): sau khi nghiên cứu kĩ tính chất của tia âm cực. Thomson đã khẳng định rằng tia này chính là chùm các hạt mang điện tích âm giống nhau – đó là các hạt e-. Trước đó, vào năm 1900 Planck khi nghiên cứu hiện tượng bức xạ của vật đen tuyệt đối đã đưa ra khái niệm lượng tử ánh sáng (sau này được gọi là photon ), và vào năm 1905 Einstein đã vận dụng khái niệm này và giải thích thành công hiệu ứng quang điện. Thí nghiệm trực tiếp chứng tỏ sự tồn tại của photon đã được tiến hành bởi Millikan vào những năm 1912-1915 và Compton vào năm 1922. Năm 1911 Rutherford đã khám phá ra hạt nhân nguyên tử và sau đó (năm 1919) đã tìm thấy trong thành phần hạt nhân có hạt proton p với khối lượng bằng 1840 lần khối lượng electron, và điện tích dương về mặt trị số đúng bằng điện tích electron. Thành phần khác của hạt nhân, hạt neutron n, được Heisenberg và Ivanenko đề xuất trên lí thuyết và đã được Chadwick tìm thấy trong thực nghiệm tương tác của hạt với nguyên tố Be vào năm 1932. Hạt n có khối lượng gần bằng hạt p, nhưng không mang điện tích. Bằng việc phát hiện ra hạt neutron n các nhà 1
2. vật lý đã hoàn thành việc khám phá ra các thành phần cấu tạo nên nguyên tử và do đó cấu tạo nên thế giới vật chất. Cũng cần nói thêm là trong vật lý hạt cơ bản, với tư cách là một chuyên ngành độc lập trong vật lý học, được người ta xem như bắt đầu không phải từ lúc phát hiện ra e- mà là từ việc phát hiện ra hạt neutron n. 2. Năm 1930 để giả thích sự hao hụt năng lượng trong hiện tượng phân rã  Pauli đã giả thiết sự tồn tại của hạt neutrino , hạt này mãi đến năm 1953 mới thực sự được tìm thấy (Reines, Cowan). Hạt neutrino không có khối lượng, không điện tích và tương tác rất yếu với vật chất. Từ những năm 30 đến đầu những năm 50 việc nghiên cứu hạt cơ bản liên quan chặt chẽ với việc nghiên cứu tia vũ trụ. Năm 1932, trong thành phần của tia vũ trụ Anderson đã phát hiện ra hạt positron e+, là phản hạt của electron e- và là phản hạt đầu tiên được tìm thấy trong thực nghiệm. Sự tồn tại của positron e+ đã được tiên đoán bằng lí thuyết bởi Dirac trước đó ít lâu, trong những năm 1928- 1931. Năm 1936 Anderson và Neddermeyer đã tìm thấy trong tia vũ trụ các hạt  , có khối lượng lớn hơn khối lượng electron khoảng 200 lần, nhưng lại rất giống e-, e+ về các tính chất khác. Năm 1947 cũng trong tia vũ trụ nhóm nghiên cứu của Powell đã phát hiện ra các hạt meson , có khối lượng khoảng 274 lần khối lượng electron. Hạt có một vai trò đặc biệt quan trọng trong tương tác giữa các nuclon (proton, neutron) trong hạt nhân nguyên tử và đã được Yukawa tiên đoán bằng lí thuyết từ năm 1935. 3. Cuối những năm 40 - đầu những năm 50 là giai đoạn phát hiện ra các hạt lạ, những hạt đầu tiên (meson K , hạt ) được tìm thấy trong tia vũ trụ, còn những hạt tiếp theo được tìm trong các máy gia tốc, là kết quả các quá trình tán xạ (va chạm) của các hạt p hay e- ở năng lượng cao. Từ những năm 50 trở đi các máy gia tốc là công cụ chính để nghiên cứu hạt cơ bản. Ngày nay năng lượng đạt được đã lên đến hàng trăm GeV, và trong tương lai không xa, hàng ngàn GeV (tức hàng TeV) Máy gia tốc proton p với hạt nặng vài GeV đã giúp khám phá ra các phản hạt nặng: phản proton (năm 1955), phản neutron (năm 1956), phản sigma (năm 1960), v.v Năm 1964 người ta phát hiện ra hạt hyperon nặng nhất: hạt omega -, với khối lượng gần gấp đôi khối lượng hạt proton. Trong những năm 60 người ta còn khám phá ra rất nhiều hạt không bền gọi là các hạt cộng hưởng, với khối lượng hầu hết lớn hơn khối lượng proton. Đại bộ phận các hạt cơ bản biết được hiện nay (vào khoảng 350 hạt) là các hạt cộng hưởng. Vào năm 1962 người ta phát hiện 2 loại hạt neutrino khác nhau: loại đi kèm với electron e và loại đi kèm với hạt  là . Năm 1974 hai nhóm nghiên cứu riêng rẽ do Tinh và Richter lãnh đạo tìm thấy hạt J/psi, có khối lượng khoảng 3-4 lần khối lượng proton và thời gian sống đặc biệt lớn hơn hạt cộng hưởng. Hạt này mở đầu cho một họ hạt mới - các hạt duyên - được phát hiện lần lượt kể từ năm 1976. Năm 1977, lại một hạt mới nữa, hạt upsilon Y, với khối lượng bằng cả chục lần khối lượng proton, khởi đầu cho họ các hạt đẹp được tìm thấy từ năm 1981. 2
3. Trước đó, vào năm 1975 người ta đã tìm thấy hạt , với tính chất rất giống hạt e,  nhưng khối lượng lớn hơn nhiều. Sau đó ít lâu, loại neutrino thứ ba đi với nó, hạt . Mới đây nhất, vào năm 1983 tại phòng thí nghiệm CERN người ta đã tìm thấy các hạt boson vector trung gian W , Z dự kiến bởi lí thuyết trước đó ít lâu. Các hạt này có vai trò tương tự hạt photon , nhưng lại có khối lượng rất lớn, gấp cả trăm lần khối lượng proton. 2. Phân loại hạt cơ bản Hạt vật chất: + Dựa vào độ lớn của khối lượng và dựa vào đặc tính tương tác, các hạt cơ bản được phân thành các loại sau đây: a. Photon b. Lepton: Các hạt lepton (các hạt nhẹ) khối lượng từ 0 đến 200 me. Không tham gia tương tác mạnh, chỉ tham gia tương tác yếu, điện từ, hấp dẫn. Chúng gồm 2 loại: Lepton mang điện (e , , ) và lepton trung tính (neutrino  e ,  , ) chỉ tham gia tương tác yếu. c. Hadron: Khối lượng trên 200 me , tham gia tương tác mạnh chủ yếu gồm 2 loại: *Meson (π, Kaon K, ): khối lượng trên 200 me nhưng nhỏ hơn khối lượng nuclon; *Baryon ( p,n,,,, ) + Phân loại theo spin: * Boson: các hạt có spin nguyên tuân theo thống kê Bose - Einstein. * Fermion: các hạt có spin bán nguyên tuân theo thống kê Fermi - Dirac. 0 Hạt trường: truyền tương tác gồm: G ,W ,Z , A , g 3. Các đặc trưng của hạt cơ bản 3.1 Khối lượng: Mỗi hạt đều có khối lượng nghỉ m0 xác định, trừ hạt photon có khối lượng nghỉ bằng không. Khối lượng thường được diễn tả qua đơn vị năng lượng (MeV/c2, 2 2 2 GeV/c ). Chẳng hạn electron có me=0,511MeV/c , proton có mp=938,3MeV/c . Riêng các hạt neutrino thì trước đến nay vẫn được xem là không có khối lượng, nhưng trong các lí thuyết hiện nay lại có nhiều lập luận là cho thấy hạt  có thể và trong một số trường hợp phải có khối lượng. Thực nghiệm cũng không chống lại lập luận này. Tuỳ theo khối lượng mà người ta chia làm 3 loại hạt cơ bản: 2 - Hạt nhẹ (lepton), ví dụ: me = 0,511MeV/c 2 2 - Hạt nặng (barion), ví dụ: mp = 938,3 MeV/c , mn = 939,6MeV/c 2 2 m - Hạt trung gian (meson), ví dụ: π =139,6MeV/c , m π0 = 135MeV/c Người ta nhận thấy khối lượng có vẻ phụ thuộc vào điện tích, cụ thể là các hạt giống nhau về mọi mặt nhưng có điện tích khác nhau thì khối lượng cũng khác nhau, chẳng hạn như: 3
4. 2 mp - mn = 938,3 – 939,6 = -1,3MeV/c 2 m m 0 π π = 139,6 – 135 = 4,6MeV/c Tuy nhiên, quy luật của sự phụ thuộc này không rõ ràng, hay nói rộng hơn, người ta chưa biết rõ quy luật phân bố của khối lượng các hạt cơ bản và không biết có tồn tại một lượng tử khối lượng hay không. Khối lượng là điều kiện để có tương tác hấp dẫn. 3.2 Điện tích: Các hạt cơ bản được biết cho đến nay hoặc không tích điện, hoặc có điện tích là bội số nguyên (âm hoặc dương) của điện tích nguyên tố e=1,6.10-19C giữ vai trò lượng tử điện tích, cụ thể: Q= 0, 1, 2. Điện tích của phản hạt thì trái dấu với điện tích của hạt. Điện tích của các hạt là điều kiện để chúng tham gia tương tác điện từ. 3.3 Thời gian sống: Tuỳ theo thời gian tồn tại của các hạt cơ bản mà người ta phân thành các loại như sau: - Hạt bền: thời gian sống thực tế là vĩnh viễn do các hạt không tự phân rã hay phân rã rất chậm. Ví dụ: photon có = , proton với  1030s, electron có  1022s - Hạt gần bền: bị phân rã do tương tác điện từ và tương tác yếu với thời gian sống  >10-20s (đối với neutron tự do  = 932s) - Hạt không bền (hạt cộng hưởng): bị phân rã do tương tác mạnh với thời gian đặc trưng là  <10-20s . Ví dụ: các hạt 0, 0 là các hạt cộng hưởng Các Lepton chỉ tham gia tương tác yếu và tương tác điện từ (những hạt mang điện). Người ta gọi là tương tác yếu hoặc mạnh do lực tương tác. Trên thực tế điều này biểu hiện bằng thời gian sống: dưới tác dụng của tương tác, các hạt sẽ phân rã và nếu tương tác càng mạnh thì thời gian sống càng nhỏ. Thời gian sống của tương tác yếu lớn hơn 10-10s (rất lâu), trong khi đó thời gian sống của tương tác mạnh <10-23s. Proton phân rã theo tương tác siêu yếu ~ 1030 năm. Các quá trình rã chủ yếu do tương tác yếu và được phân thành 2 loại chính: Các quá trình Lepton thuần tuý:  e ~ ~ e   e e e  e Các quá trình Lepton thuần tuý rất đơn giản. Nếu có các Hadron tham gia phải có tương tác mạnh và vấn đề trở nên phức tạp ở vùng năng lượng thấp. 4
5. Với việc xây dựng các máy gia tốc năng lượng cao, trong những năm gần đây, người ta càng nghiên cứu ngày càng nhiều  lepton với các mode rã thuần tuý lepton. Các quá trình có Hadron tham gia: + Rã Lepton: meson lepton ~ e  e  ~  K e  e K    , + Rã bán lepton: hadron hadron + lepton ~ n p e  e 0 e  e 0 K e  e , + Rã không lepton: hadron hadron K 0  p 0  n , 3.4 Đối hạt (phản hạt) Mỗi hạt cơ bản có một đối hạt (phản hạt) tương ứng. Đối hạt của một hạt cơ bản có cùng khối lượng nhưng điện tích trái dấu và cùng giá trị tuyệt đối. Trường hợp các hạt cơ bản không mang điện như nơtron: thực nghiệm chứng tỏ nơtron vẫn có momen từ khác không; khi đó đối nơtron là hạt cơ bản có cùng khối lượng như nơtron nhưng có momen từ ngược hướng và cùng độ lớn. * Người ta ký hiệu: Hạt X; đối hạt X- * Một vài ví dụ về hạt và đối hạt: Hạt: p n e- e+ π+ π0 γ Đối hạt e+ e- π- π0 γ 3.5 Spin Thực nghiệm và lý thuyết chứng tỏ rằng, đối với mỗi vi hạt, ngoài các đặc trưng đã nêu như khối lượng, điện tích, thời gian sống, còn một đại lượng nữa gọi là momen spin (hay thông số spin hoặc số lượng tử spin), đặc trưng cho chuyển động nội tại của vi hạt đó. Mỗi vi hạt có một momen spin xác định tùy thuộc vào bản chất của hạt. Momen spin được biểu diễn bằng một vectơ S có độ lớn cho bởi: S s(s 1) 5
6. và hình chiếu trên một trục z bất kì cho bởi: Sz mz ms là số lượng tử hình chiếu spin: ms s, s 1, ,0, ,s 1,s. Độ lớn của momen spin được tính theo s gọi là số lượng tử spin. Với một trị số xác định của s có (2s+1) trị số của ms; s có thể là nguyên hay bán nguyên. Ví dụ: với hạt e lectron thì s = ½; hạt photon có s=1; hạt p có s= 0. Tất cả các hạt cơ bản mà chúng ta biết được chia làm 2 nhóm: - Các hạt có spin bán nguyên (electron, neutron, proton ) gọi là các hạt fermion. Các fermion tạo nên vật chất ở dạng “chất”, chúng tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli: Hai fermion đồng nhất như nhau không thể ở trong cùng một trạng thái. - Các hạt có spin nguyên (photon, meson, ) gọi là các hạt boson. Các boson không tuân theo nguyên lí Pauli: Trong cùng một trạng thái, có thể có nhiều boson. Như vậy, hai nhóm hạt fermion và boson khác hẳn nhau, nhưng đồng thời chúng đều khác các hạt của thế giới vĩ mô, chẳng hạn chúng khác các phân tử khí. Các fermion là những “viên gạch” xây dựng nên các chất bền vững (các hạt nhân, nguyên tử và phân tử). Còn các boson thì đóng vai trò như chất keo giữa các hạt thông thường – chúng truyền tương tác từ các fermion này sang fermion khác và ràng buộc chúng lại với nhau. Spin của hạt quyết định tính chất của các hệ hạt đồng nhất, tức quyết định tính thống kê của chúng: - Những hạt có spin bán nguyên tuân theo thống kê Fermi-Dirac, thống kê này đòi hỏi của hệ hạt phải phản đối xứng đối với việc hoán vị bất kì cặp hạt nào, và do đó không cho phép 2 hạt fermion ở cùng một trạng thái. - Những hạt có spin nguyên tuân theo thống kê Bose-Einstein, thống kê này đòi hỏi hàm sóng đối xứng và do đó không hạn chế số lượng hạt ở cùng một trạng thái. 3.6 Barion tích Để mô tả quá trình có barion tham gia, người ta đưa một số lượng tử mới là số Barion B. B =1 đối với các hạt trong nhóm barion (n, p,,,, ) B = 0 đối với các hạt meson và tất cả các hạt khác. B = -1 đối với các phản hạt trong nhóm barion. Trong các quá trình biến đổi, tổng đại số các barion không đổi ( B 0) . Ví dụ: p p p p p ~p : B = 2 p ~p π π : B = 0 π p n p ~p : B = 1 ~ n p e  e : B = 1, Le = 0, Q = 0 6
7. 3.7 Lepton tích Gán cho các lepton một số lượng tử L gọi là số lepton: L=1 cho tất cả các lepton e , e , ,  , , ~ ~ ~ L= -1 cho tất cả các phản lepton e , e , ,  , , thì trong tất cả các quá trình số lepton bảo toàn. Nghĩa là hiệu của số lepton ở trạng thái đầu Li và trạng thái cuối Lf triệt tiêu: L Lf Li 0 Ta gán 3 loại lepton La ,a e,, được gọi là số lepton thế hệ: Lepton Le L L e , e +1 0 0  ,  0 +1 0  , 0 0 +1 Thực nghiệm cho thấy, các số lepton thế hệ của electron và neutrino liên hợp với chính nó  e cũng như các số lepton của meson  và neutrino liên hợp   , cũng bảo toàn, sự vi phạm là rất nhỏ. Thí dụ: - - ~  e +  e +  L: 1 0 + 0 + 1 Le: 0 1 - 1 + 0 Hệ quả của sự bảo toàn lepton thế hệ: Các quá trình vi phạm số lepton xảy ra với xác suất rất nhỏ. Ví dụ: muon rã chủ yếu theo kênh rã thuần tuý lepton. Phân biệt các loại neutrino qua sự bảo toàn các lepton thế hệ. Vì các neutrino đều là các hạt có spin 1/2 không mang điện và có khối lượng rất nhỏ, nên để phân biệt các loại neutrino người ta phải dùng các phép thử dựa trên quy tắc bảo toàn lepton thế hệ: a X la Y, a  e ,  , trong đó X, Y là các vật thử. Nếu ở trạng thái cuối của phương trình trên ta thu được lepton la gì. Ví dụ  thì ta nói neutrino ở trạng thái đầu là   . Một hệ quả rất đặc sắc là sự bảo toàn số baryon: proton là hạt bền vững 30  p 10 năm. Bởi vì proton là barion với khối lượng nhỏ nhất. Tương tự như vậy: sự bảo toàn số lepton cho ta electron bền vững, bởi vì nó là lepton với khối lượng nhỏ nhất. Trường hợp của neutrino hơi khác do có sự trộn lẫn dẫn đến sự chuyển hoá. 3.8 Isospin (spin đồng vị) Các hạt hadron được tập hợp thành từng nhóm nhỏ gọi là đa tuyến điện tích, mỗi đa tuyến bao gồm những hạt có khối lượng bằng nhau, các tính chất khác đều giống nhau, chỉ khác nhau về điện tích. Để mô tả các trạng thái điện khác nhau của 7
8. nhóm hạt đó người ta đưa vào một số lượng tử mới – isospin I (còn gọi là spin đồng vị): mỗi nhóm hạt như vậy còn gọi là đa tuyến isospin, có số thành phần (số trạng thái điện tích) N xác định qua hệ thức: N = 2I + 1 Nói cách khác, mỗi trạng thái điện tích trong iso – đa tuyến tương ứng với một giá trị hình chiếu mI của isospin I B S Q m I 2 trong đó thành phần mI trên trục z nhận các giá trị: I, I - 1, , - I Một hạt trong một đa tuyến tương ứng với một giá trị mI. Các giá trị của mI được sắp xếp theo điện tích giảm dần. Ví dụ: proton và neutron tạo nên một lưỡng tuyến isospin (nuclon). 1 Ta có N=2 suy ra I . Vì B 1 nên ta có: 2 1 1 1 mI (proton): Q 1 2 2 2 1 1 1 m (neutron): Q 0 I 2 2 2 Xác định các hình chiếu isospin của tam tuyến meson ? Đối với các phản hạt, Q và B đổi dấu nên mI cũng đổi dấu, nhưng I thì không. Bảng isospin I và hình chiếu của nó mI mI 1 ½ 0 -½ -1 I Barion ½ p n 0 0 1 + 0 - ½ 0  - 0  - Meson 1 + 0 - ½ K + K0 0 0 Isospin chỉ bảo toàn trong tương tác mạnh. Như ta có thể thấy, tương tự như spin, isospin I có thể có các giá trị nguyên hay bán nguyên, và các nhóm hạt tương ứng được gọi là isoboson hay isofermion. Điều này không phụ thuộc các hạt đó là boson hay fermion. Thí dụ: trong tương tác mạnh: 0 + p + + n Trước phản ứng ta có: 1 1 1 1 3 1 m 0 I 1 ,1 1 , I 2 2 2 2 2 2 Sau phản ứng ta có: 8
9. 1 1 1 1 3 1 m 1 I 1 ,1 1 , I 2 2 2 2 2 2 Ta thấy, đối với mọi tương tác mạnh và tương tác điện từ, mI tổng cộng cũng được bảo toàn. 3.9 Số lạ Trong thực nghiệm, các meson K và các barion , , , và  (nhóm này tạo thành các hyperon) bao giờ cũng được tạo thành từng cặp trong tương tác mạnh gọi là hiện tượng tạo cặp liên hợp. Ví dụ: π p Σ K π- p λ0 K0 ~ π n Σ K 0 Tuy nhiên, các hạt tạo thành này có thời gian sống lớn (>10-23s) chúng không phân huỷ bằng tương tác mạnh mà đặc trưng cho tương tác yếu. Ví dụ: 0 p + - K0 + + - Σ π n Σ π n K+ + + 0 Sự thiếu thuận nghịch này cùng với một số tính chất mới lạ khác, mà các hạt hyperon này có tên là những hạt lạ và đặc trưng bởi lượng tử số lạ S Người ta tính số lạ bằng cách lấy 2 lần giá trị điện tích trung bình trong một đa tuyến rồi trừ đi cho số barion: S 2Q B Những hadron nào có S 0 đều được gọi là hadron lạ. Ví dụ: 1 - Lưỡng tuyến nuclon có Q ; B 1 S 1 1 0 . Do đó proton và 2 neutron không phải là hạt lạ. 1 1 0 - Tam tuyến +, -, 0 có Q 0 S 1. Do đó, các hạt trên 3 là hạt lạ. - Tam tuyến meson có điện tích trung bình Q 0, B 0 do đó S cũng bằng 0 nên không phải là hạt lạ. - Hạt lamđa (0) là một đơn tuyến có Q = 0, B = 1 nên S = -1. Đây là một barion lạ. + 0 1 - Lưỡng tuyến meson K (K , K ) có điện tích trung bình Q vì vậy S = 2 1 nên meson K là meson lạ. 3.9.1 Định luật bảo toàn số lạ: Số lạ S chỉ bảo toàn trong tương tác mạnh và tương tác điện từ. Chẳng hạn xét phản ứng: K - + p  0 + 0 9
10. Q: -1 + 1 = 0 + 0 B: 0 + 1 = 1 + 0 S: -1 + 0 = -1 + 0 Số lạ S không bảo toàn trong tương tác yếu, chẳng hạn quá trình phân rã yếu của hạt lamđa () với thời gian đặc trưng 10 –10 giây: 0 p + - Q: 0 = 1 - 1 B: -1 = 1 - 1 S: -1 0 + 0 3.9.2 Số lạ và isospin: B Hệ thức ta có trước đây Q m chỉ đúng trong các trường hợp cho các I 2 hạt có S=0. Trong trường hợp tổng quát ta phải áp dụng hệ thức Gell-Mann- Nishijima: B S Q m I 2 Từ đây, ta suy ra công thức số lạ S: S 2(Q mI ) B. Dựa vào công thức này, người ta kiểm tra được hạt nào là hạt lạ hay không phải. Thật vậy, năm 1959, 1 người ta biết được hạt  , hạt này có Q = -1, B = 1, S = -2, và m , người ta I 2 1 đã dự đoán phải tồn tại một hạt có m . Quả nhiên, sau đó, người ta đã tìm thấy I 2 1 hạt  có m như dự đoán. I 2 4. Mẫu quark 4.1 Quark là gì? Năm 1963, Gellmann đưa ra lí thuyết rằng tất cả các hạt hadron đều được cấu tạo từ các hạt cơ bản gọi là hạt quark. Ban đầu, ông cho rằng các hạt hadron được cấu thành chỉ gồm 3 hạt quark và các phản hạt của chúng, đó là: ~ Quark u (up) và phản hạt là u ~ Quark d (down) và phản hạt là d ~ Quark s (strange) và phản hạt là s 4.2 Đặc tính của các quark. 4.2.1 Điện tích Khác với các hạt trước đây mà ta đã gọi chúng là các hạt cơ bản, có điện tích là đơn vị hay bằng không nhân với e ( e hay bằng 0), các hạt quark có điện tích là một phân số của e: 2 2 - Quark u có Q e , hay viết gọn là Q ) 3 3 10
11. 1 1 - Quark d có Q e , hay viết gọn là Q ) 3 3 1 1 - Quark s có Q e , hay viết gọn là Q ) 3 3 Các phản hạt của chúng có điện tích ngược dấu. 4.2.2 Barion tích: 1 1 Cả 3 hạt quark trên có barion tích B và phản hạt của chúng có B . 3 3 4.2.3 Spin: 1 Tất cả các quark đều có spin s . Chúng là những hạt fermion và tuân 2 theo phân bố Fermi-Dirac và nguyên lí Pauli. 4.2.4 Isospin: 1 Hai quark u và d tạo nên lưỡng tuyến isospin I (hai quark này có khối 2 lượng gần bằng nhau, và có tất cả các tính chất khác như nhau, ngoại trừ điện tích). 1 1 Do đó, đối với quark u có I và đối với quark d có I Còn quark s là một 3 2 3 2 đơn tuyến nên có I = 0 4.2.5 Số lạ: Số lạ của các quark cũng được tính theo công thức: S 2Q B Hai quark u và d tạo nên lưỡng tuyến isospin. Do đó điện tích trung bình của lưỡng tuyến này là: 1 1 2 1 1 Q (Q Q ) ( ) 2 u d 2 3 3 6 2 1 Từ đó, suy ra số lạ của u và d là: S 0 . Do đó hai hạt quark u và d 6 3 1 không phải là hạt lạ. Còn quark s là một đơn tuyến nên Q và có số lạ là 3 1 1 S 2. -1. Vậy quark s là hạt lạ. 3 3 Đối với các quark thì lepton tích của chúng đều bằng không vì chúng không phải là các lepton mà là các hadron. 4.3 Cấu tạo các hạt Hadron theo Quark 4.3.1 Cấu tạo của proton theo quark: Proton được cấu tạo từ quark u và quark d theo hợp phần như sau: 11 proton
12. p = u + u + d Sự hợp thành này phải bảo đảm đúng định luật bảo toàn điện tích, barion tích và số lạ. ~ Ta cũng suy ra cấu tạo của hạt phản proton p : ~ ~p ~u ~u d 4.3.2 Cấu tạo của neutron theo quark: Neutron được cấu tạo từ quark u và quark d theo hợp phần như sau: n = u + d + d Ta cũng suy ra cấu tạo của hạt phản proton ~n : ~ ~ ~p ~u d d neutron Từ cấu tạo của các nuclon ta thấy trong sự phân rã + và - trong lòng hạt nhân chỉ là cơ chế chuyển đổi của các quark trong proton và neutron mà thôi. Đối với phân rã - thì một quark d đã 0 0 ~ chuyển thành quark u đồng thời phóng ra 2 lepton là 1 e và 0 e . Ta hãy nghiệm lại điều này bằng các định luật bảo toàn. Đối với phân rã + thì một quark u đã chuyển thành quark d đồng thời 0 0 phóng ra 2 lepton là 1 e và 0 e . 4.3.3 Cấu tạo của meson theo quark: Các meson được cấu tạo từ một quark và một phản quark: q,~q ~ Thí dụ: π u d Các định luật bảo toàn được nghiệm đúng như sau: 2 1 Q: 1 3 3 1 1 B: 0 3 3 S: 0 0 0 meson + Các meson luôn là các boson (spin = 0) vì các quark và phản quark đều có spin=½. Bảng cấu tạo một số meson: ~ 1 ~ π ud; π d~u; π 0 (u~u dd) 2 ~ ~ 0 ~ K us; K us; K ds 0 1 ~ ~ ~ η (uu dd ss) 6 4.3.4 Cấu tạo các hạt lạ theo quark: Sự cấu tạo các hạt lạ phải có ít nhất một quark lạ s hay phản quark ~s . Thí dụ: cấu tạo của hạt 0 0 = u + d + s 12
13. Ta thấy 0 có điện tích Q = 0, barion tích B = 1, số lạ S = -1 và dễ dàng thấy các đặc trưng này ở vế phải cũng vậy. Kết luận chung: Như vậy, các meson được xem là trạng thái liên kết của một quark và phản quark. Vì ta có tất cả 6 quark (kể cả phản quark) nên sẽ có 8 meson. ~ Ví dụ: π u d, π ~u d, ~ ~ K u ~s, K 0 d ~s, K 0 ~u s, K 0 d s Các barion được cấu thành từ 3 quark, để cấu thành các hạt lạ, có thể ta dùng cả phản quark ~s . Ta sẽ có tất cả 40 barion (kể cả phản hạt). p u u d, n u d d 0 Ví dụ:  u u s,  u d s,  d d s 0  u s s,  d s s Như vậy, từ cấu trúc trên, ta chỉ có thể cấu thành 48 hạt quark mà thôi. Tuy nhiên trong thực tế, người ta đã tìm thấy trên 400 hạt loại hadron. Như vậy chắc chắn có cái gì chưa ổn khi ta chọn 3 quark như trên làm hạt cơ bản. Mặt khác, khi xét cấu tạo của hạt  -, nó được cấu thành từ 3 quark như sau:  - = s + s + s Nghiệm lại các định luật ta thấy: 1 1 1 Q: 1 3 3 3 1 1 1 B: 1 3 3 3 S: 3 1 1 1 Cả 3 định luật trên đều đúng, nhưng ta thấy rằng hạt  - là một hệ hạt đồng nhất nên phải tuân theo nguyên lí Pauli. Tức phải không có hai hạt trở lên có trạng thái giống nhau về toàn bộ. Ba quark cấu tạo nên  - là như nhau, do đó cấu tạo hạt  - vi phạm nguyên lí Pauli. Điều này lại càng chứng tỏ có cái gì đó chưa ổn khi ta đưa 3 quark mùi như trên làm hạt cơ bản. 4.4 Các màu của quark Ngoài các đặc trưng về điện tích, barion tích, spin, isospin, số lạ, các hạt quark còn được đặc trưng lượng tử khác gọi là lượng tử “màu”. Đặc trưng này đã giải quyết sự bất ổn về cấu tạo của các hadron 4.4.1 Màu của quark: Greenberg đưa ra giả thiết rằng các quark còn một số lượng tử nữa, gọi là màu. Màu của quark có ba giá trị khác nhau là: - Màu đỏ (red), kí hiệu: r - Màu lục (blue), kí hiệu: b - Màu xanh lá (green), kí hiệu: g 13
14. Các phản quark cũng có 3 màu là lam, vàng, đỏ thẳm. Màu của quark không xác định, nó có thể nhận một trong 3 giá trị trên tùy từng khoảng thời gian (màu của quark thay đổi theo thời gian). Với các phản quark cũng như vậy. Như vậy, ta phân biệt các quark bằng màu và mùi của chúng. Hai quy tắc liên quan đến màu của quark: - Các barion phải được cấu tạo từ 3 hạt quark có 3 màu khác nhau. - Các meson được cấu tạo từ các quark và các phản quark cùng màu, nhưng với xác suất cả 3 màu đều như nhau. Từ quy tắc trên ta thấy: không có hạt hadron nào có màu nhất định. Tức là chúng không có màu. Việc đưa màu vào cho các quark đã giải quyết cái gì chưa ổn nêu ra ở trên. Thật vậy, xét lại cấu tạo của  - ta sẽ thấy ba quark giống nhau về toàn bộ nhưng khác nhau về màu, do đó sự cấu tạo không vi phạm nguyên lí Pauli: -  = sr + sb + sg Nếu tính cả màu của quark nữa thì ta có tất cả 9 quark khác nhau. Với hợp phần cấu tạo như các meson và barion như trên thì từ 9 hạt quark này, chúng ta có cấu tạo được trên 500 hạt hadron, con số này vượt xa con số hạt hadron mà ta đã biết. 4.4.2 Quark mùi thứ 4, thứ 5, thứ 6 Trong những năm 60 của thế kỉ XX, người ta chắc chắn rằng các hạt cơ bản gồm: - Bốn hạt lepton: electron(e), neutrino e( e ), muon(), neutrino muon() - Ba loại quark: u, d, s Theo lí thuyết đối xứng của tự nhiên thì sự tồn tại các hạt này không có tính đối xứng (một loại có 4, một loại có 3). Do đó, năm 1964, người ta đưa ra giả thiết phải tồn tại thêm một hạt quark thứ tư có tên là quark c. Hạt quark này đặc trưng 2 bởi lượng tử số “duyên” (charm), có khối lượng 1,5 GeV/c2, có điện tích Q 3 Sự tồn tại của quark này đã được chứng minh vào năm 1974 khi người ta tìm ra hạt meson mới: hạt J-Psi, kí hiệu J/, hạt này cấu tạo bởi một quark c và phản ~ quark c . Sau đó, người ta tìm được nhiều hạt meson và barion khác có thành phần là quark c. ~ ~ Ví dụ: các meson duyên: D dc , D d~c , D 0 ~uc , D 0 u~c F c~s , F ~cs các barion duyên: Λ c d c u Năm 1975, người ta tìm thấy một lepton mới là tau (), do đó tính chất đối xứng một lần nữa bị phá vở. Tin tưởng vào thuyết đối xứng, người ta đưa ra quark mùi thứ năm là quark b mang tên là quark đáy (bottom), đặc trưng bởi lượng tử số đẹp (beauty), có khối lượng 4,7GeV. Ngay sau khi giả thuyết ra đời người ta đã kiểm chứng được sự tồn tại của quark b bằng sự phát hiện hạt upsilon (Y) có thành phần cấu tạo như sau: ~ Y b b Khối lượng của Y khoảng 10 GeV, nó là một meson. 14
15. Cùng với lepton , người ta cũng chứng minh sự tồn tại của hạt neutrino tau (), cũng là một lepton. τ π  τ Như vậy, lepton bây giờ có đến 6 hạt, tin tưởng vào thuyết đối xứng, các nhà khoa học lại lần nữa giả thuyết ra hạt quark có mùi thứ sáu là quark t, có tên là quark đỉnh (top) dự đoán được tạo thành do 2 chùm electron và positron có năng lượng cở 10 GeV gặp nhau và vào năm 1984, người ta đã chứng minh được điều đó. Đến đây, ta có thể đưa bảng các lepton và các hạt quark như sau: Lepton: 2 Hạt Q M(MeV/c )  s B L I mI S -6 Neutrino e  e < 7.10 bền Neutrino    < 0,25 bền Neutrino    < 35 ? Electron e- 0,51 bền Muon  - 105,66 2,2.10-6s Tau  - 1784,1 3,04.10-13s Quark: 2 Hạt c(b) Q M(MeV/c )  s B L I mI S u (up) 1,5  4 bền d (down) 4 8 bền s (strange) 80 130 bền c (charm) 1150 1350 bền b (bottom) 4100  4400 bền t (top) 178000 4300 bền Sáu quark và sáu lepton được công nhận là các hạt thật sự cơ bản cho đến ngày nay. 5. Tương tác của các hạt cơ bản Các hạt cơ bản luôn biến đổi và tương tác với nhau - các quá trình đó xảy ra muôn hình muôn vẻ quy về bốn loại tương tác cơ bản sau đây: 5.1 Tương tác hấp dẫn Lực hấp dẫn của hai vật có khối lượng m và m cách nhau một khoảng r là: 1 2 m m r F G 1 2 r 2 r với G=6,67.10-11N.m2/kg2, dấu (-) chỉ lực hút Đặc điểm: - Lực hấp dẫn có tính phổ dụng: mọi hạt đều có tuỳ thuộc vào khối lượng và năng lượng của nó. - Tương tác hấp dẫn là tương tác yếu nhất của các loại tương tác. Do đó tương tác hấp dẫn chỉ ‘đáng kể’ trong thế giới vĩ mô. Khi khảo sát các 15
16. hạt sơ cấp người ta thường bỏ qua tương tác này vì nó nhỏ quá không đáng kể. - Tương tác hấp dẫn có thể tác dụng trên một khoảng cách lớn tuỳ ý và luôn là lực hút. 0 - Hạt truyền tương tác: gravion 0 G có spin =2, không mang điện, không có khối lượng riêng nên có tầm tác dụng lớn. Ví dụ: tương tác giữa trái đất và mặt trăng là do sự trao đổi các gravion ảo. Các gravion này gây ra một hiệu ứng đo được là làm cho mặt trăng quay xung quanh trái đất. Các gravion thực vẫn chưa quan sát được. 5.2 Tương tác yếu Bao gồm các quá trình phân rã các Hadron, hấp thụ meson  bởi các chất và các quá trình có neutrino. Trong điều kiện bình thường rất khó nhận biết được lực tương tác yếu vì chúng có tầm tác dụng rất ngắn ( 10-18 m) và cường độ lực rất nhỏ. Tương tác yếu tác dụng lên hạt có spin = ½ chứ không tác dụng lên hạt có spin 0, 1, 2 . Đặc điểm: - Tương tác yếu là dạng tương tác duy nhất của neutrino với vật chất - Số lạ S không được bảo toàn trong tương tác yếu - Thời gian sống của các hạt trong tương tác yếu lớn hơn 10-11s Hạt truyền tương tác: meson W+, meson W- (gọi là vectơ trung gian) và hạt Z0. Các hạt này có spin =1, mang điện tích (hạt W- có Q =-1, hạt W+ có Q =1, hạt Z0 có Q =0) và có khối lượng rất lớn. Ví dụ 1: xét tương tác yếu đặc trưng là sự phân rã - của neutron: 1 1 0 0 ~ 0 n 1p 1e 0 e 0 0 ~ hay: (u d d) (u u d) -1e 0  e 0 0 ~ thực chất của quá trình phân rã là: d u W , W -1 e 0  e Ví dụ 2: xét tương tác yếu đặc trưng là sự phân rã + của proton: 1 1 0 0 0 p 1 n 1e 0  e 0 0 hay: (u u d) (u d d) 1e 0  e 0 0 thực chất của quá trình phân rã là: u d W , W 1 e 0  e 5.3 Tương tác điện từ Tương tác điện từ là tương tác giữa các hạt mang điện. Hạt có điện tích q chuyển động với vận tốc v trong trường điện từ E, B sẽ chịu tác dụng của một lực: F q E v  B Tương tác điện từ lớn hơn tương tác hấp dẫn rất nhiều lần. Chẳng hạn lực điện từ giữa 2 electron lớn hơn lực hấp dẫn giữa chúng khoảng 1040 lần. Tương tác điện từ có tầm tác dụng rất lớn, cường độ lực mạnh. Tương tác điện từ có thể là lực hút hay lực đẩy tuỳ thuộc vào điện tích các hạt tham gia tương tác. Tương tác điện từ là cơ sở giữ các nguyên tử với nhau trong phân tử. Hạt truyền tương tác: photon có spin =1, không có khối lượng nghỉ, có tầm tác dụng lớn. 16
17. Ví dụ: Lực tương tác electron và proton trong nguyên tử là do sự trao đổi các photon ảo. Các photon này gây ra hiệu ứng đo được là làm cho electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử. Các photon thực quan sát được. Chẳng hạn, trong nguyên tử khi một electron chuyển từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác gần hạt nhân hơn sẽ phát ra một photon thực. Ngược lại, nếu một photon thực (do nguồn sáng nào đó phát ra) va chạm nguyên tử sẽ kích thích electron chuyển sang quỹ đạo xa hơn, quá trình này sử dụng hết năng lượng photon, vì vậy nó bị hấp thụ. Có nghĩa là photon thực đã được phát ra hoặc bị hấp thụ trong quá trình bức xạ nguyên tử và phân tử. Tương tác điện từ được mô tả bằng lý thuyết điện động lực học (ở cấp độ vĩ mô) và điện động lực học lượng tử (cấp độ vi mô). 5.4 Tương tác mạnh Tương tác giữa các Hadron trừ các quá trình phân rã của chúng. Ví dụ như tương tác giữa proton và neutron trong hạt nhân. Khi nghiên cứu về meson , người ta cũng thấy các meson đóng vai trò lượng tử trung gian mà thông qua đó các nuclon tương tác với nhau. Nghĩa là meson là hạt trung gian trong tương tác hạt nhân. Proton nhả + thành neutron: p π n Proton hấp thụ - thành neutron: p π n Proton cũng có thể cho ra 0 và proton khác: p π0 p Neutron nhả - thành proton: n π p Neutron hấp thụ + thành proton: n π p Neutron cũng có thể cho ra 0 và neutron khác: n π0 n Đăc điểm: - Bán kính tác dụng ngắn (cở 10-13 cm) - Thời gian sống của các hạt tạo thành trong tương tác mạnh rất ngắn (cở 10-24s) - Tương tác mạnh không phụ thuộc điện tích của các hạt. Ví dụ: π p π 0 n hay: (d ~u) (u u d) (u ~u) (u d d) Như vậy, tương tác mạnh giữa các nuclon không phải là nhiệm vụ của các meson mà là sự trao đổi các cặp quark trong lòng các nuclon: u-u, d-d 0 Hạt truyền tương tác: gluon 0 g có spin =1, có màu. Gluon chỉ tương tác với chính nó và với hạt quark. Tương tác mạnh cũng là tương tác giữa các meson và meson K và các hyperon với các nuclon và giữa chúng với nhau. Tương tác mạnh được biểu diễn bởi thuyết sắc động lực học lượng tử. Thuyết sắc động lực học 17
18. Một suy nghĩ tự nhiên đặt ra là: lực gì đã giữ cho 3 quark với 3 màu khác nhau để tạo thành một hadron? Đã giữ quark và phản quark tạo thành một meson? Vấn đề này đã được giải đáp trong thuyết “sắc động lực học”. Lý thuyết tương tác mạnh giữa các quark có tên là Sắc động lực học lượng tử. "Sắc" nghĩa là màu, để chỉ rằng nguồn của tương tác mạnh là màu của các quark, tương tự như nguồn của tương tác điện từ là điện tích các hạt. Theo thuyết này, các quark hút nhau được là nhờ tích màu, tương tác giữa các quark màu với nhau bởi một loại hạt mang tên gluon (có spin =1, không tích điện, khối lượng nghỉ bằng không và có màu) So sánh giữa thuyết sắc động lực học và thuyết điện động lực học: Thuyết sắc động lực học Thuyết điện động lực học - Tương tác giữa các quark có màu - Tương tác giữa các điện tích - Gluon là hạt trung gian truyền tương tác - Photon là hạt trung gian truyền tương tác - Có 8 loại gluon - Chỉ có một loại photon - Gluon truyền tương tác giữa màu nhưng - Photon truyền tương tác điện từ nhưng cũng có màu không có điện tích - Khi hạt quark nào phát ra hay thu vào một gluon thì màu của nó thay đổi, còn mùi của nó vẫn giữ nguyên. Thí dụ: quark ur phát ra một gluon thì nó biến thành quark ub, hay quark ug, chứ không thể trở thành quark d hay quark s được. Trạng thái cầm tù: Tương tác mạnh luôn có tác dụng liên kết các quark lại tạo thành một tổ hợp (không có màu): trạng thái cầm tù. Sự cầm tù không cho phép gluon tồn tại ở trạng thái riêng lẽ. Vì các gluon luôn có màu sắc nên khi tổ hợp chúng lại thành một tập hợp tạo nên một hạt không bền (glueball) với tổng màu là trắng. Do tính chất của lực tương tác, các quark không thể bị tách ra được: - Lực hấp dẫn và lực điện từ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các hạt tương tác. Lực hạt nhân có bán kính tác dụng ngắn (<10-13cm). Lực tương tác giữa các quark không phụ thuộc vào khoảng cách giữa các quark. - Tách electron ra khỏi nguyên tử, chỉ cần năng lượng vài eV, tách proton ra khỏi hạt nhân cần vài MeV, nhưng tách quark ra khỏi proton cần năng lượng 107 MeV. Như vậy, trước khi ta đạt được mức năng lượng ấy, thì nhiều sự kiện xảy ra mất rồi. Hạt quark mà ta định kéo nó ra khỏi proton, nó chưa kịp ra thì đã nhận năng lượng ấy để sinh ra một căp quark và phản quark. Hạt quark mới này thay chỗ cho hạt quark định kéo ra để bảo toàn proton. Còn hạt phản quark thì dính vào hạt quark kia để tạo ra một meson không màu. Tóm lại, kết quả của sự tương tác là chỉ có tạo ra một meson không màu mà thôi, chứ không lôi quark ra được. Như vậy các quark luôn ở trong các hadron, trạng thái đó gọi là trạng thái cầm tù của các quark. Tiệm cận tự do: Khi các quark ở trong các hadron, chúng ở cạnh nhau nhưng lực tương tác giữa chúng bằng không. Tức là chúng ở gần nhau nhưng không làm phiền gì nhau cả. Đó chính là trạng thái tiệm cân tự do của các quark. 18
19. Bảng dưới đây cho ta hình dung cường độ của 4 loại tương tác nói trên nếu quy ước tương tác mạnh có cường độ là 1: Tương tác Cường độ Tầm tương tác (m) Hạt truyền tương tác (hạt trường) Mạnh 1 10 –15 8 gluon Điện từ 1/137 Vô hạn 1 photon -14 –18 Yếu 10 10 ¦ W , Z0 Hấp dẫn 10-39 Vô hạn 1 graviton Tuy các tương tác có bản chất khác nhau nhưng đều tuân theo các định luật bảo toàn; bao gồm bảo toàn năng lượng, bảo toàn xung lượng, bảo toàn mômen xung lượng, bảo toàn điện tích, bảo toàn số Barion, số lepton electron, số lepton meson. Lưu ý: những định luật bảo toàn chỉ đúng trong một số tương tác. Trong tương tác mạnh có sự bảo toàn số lạ S, bảo toàn spin đồng vị I, bảo toàn hình chiếu spin đồng vị. Trong tương tác điện từ có sự bảo toàn số lạ S, bảo toàn hình chiếu spin đồng vị. Trong tương tác yếu có hạt lạ tham gia, số lạ S và spin đồng vị biến đổi. 5.5 Phương hướng thống nhất các loại tương tác Một trong những định hướng của các nhà vật lý lí thuyết là xây dựng mô hình thống nhất chung các loại tương tác. Thế kỉ XIX người ta đã biết hai loại tương tác riêng rẽ là tương tác điện và tương tác từ. Hai tương tác này thực chất là biểu hiện của tương tác chung, đó là tương tác điện từ. Nói cách khác, người ta đã thống nhất tương tác điện và tương tác từ thành tương tác điện từ. Cuối những năm 60, tương tác điện từ và tương tác yếu đã được thống nhất qua mô hình Weinberg-Salam. Tính đúng đắn của lí thuyết này thể hiện ở chổ các dự đoán của lí thuyết đều được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm. Một trong những kết quả đó là việc phát hiện ra các hạt boson vectơ trung gian W+, W-, và Z0 vào cuối năm 1982, đầu 1983. Trong điều kiện bình thường, tương tác điện từ và tương tác yếu là những tương tác riêng rẽ, hai tương tác này chỉ thống nhất khi thang năng lượng đủ lớn (khoảng 100GeV). Theo chiều hướng này, người ta đang tìm cách xây dựng lí thuyết thống nhất giữa các tương tác điện từ-yếu và tương tác mạnh vì thấy rằng các hạt trung gian mang tương tác của 3 loại này đều có spin =1. Lí thuyết này gọi là tí thuyết thống nhất lớn. Lí thuyết này cần một thang năng lượng cao cở 1015GeV. Hiện nay, ta chưa đạt được mức năng lượng này trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, lí thuyết này giúp ta giải thích sự sinh và huỷ cặp các hạt nặng có barion tích khác không. 19
20. SIÊU THỐNG NHẤT Gth: sinh và huỷ cặp các ? hạt nặng có B 0 Phân biệt: quark, lepton LT. THỐNG NHẤT LỚN Thang NL: 1015GeV spin hạt truyền TT=1 + - 0 W , W , Z TT điện từ - yếu (Thuyết điện yếu) mô hình Weinberg-Salam TT điện từ TT yếu TT mạnh TT hấp dẫn (ĐĐL lượng tử) (SĐL lượng tử) HD lượng tử TT điện TT từ 20
21. Siêu thống nhất Nếu đặt mục tiêu là xây dựng lí thuyết mô tả một cách thống nhất tất cả các loại tương tác, tất cả các đối tượng của thế giới vi mô thì lí thuyết thống nhất chưa đạt yêu cầu ở 2 điểm: - Vẫn còn phân biệt 2 loại hạt khác nhau: các hạt vật chất gồm các lepton và các quark, các hạt truyền tương tác như W và Z0. - Chưa đông chạm gì đến tương tác hấp dẫn. Một trong những cố gắng khắc phục 2 điểm hạn chế này là xây dựng lí thuyết siêu thống nhất, trong đó các hạt vật chất cũng như các hạt truyền tương tác đều có một xuất phát điểm như nhau. Hiện tại phương hướng này chưa thực hiện được, tuy nhiên việc nghiên cứu này ngày càng mở ra vai trò quan trọng của vật lí hạt trong cuộc sống. 5.6 Thống nhất các tương tác và sự khởi đầu của vũ trụ Áp dụng kết quả thu được trong vật lí các hạt, cùng với giả thuyết về sự thống nhất vĩ đại, các nhà thiên văn – vật lí đã viết ra kịch bản về sự khởi đầu của vũ trụ. a. Vũ trụ của chúng ta được sinh từ một “vụ nổ lớn” (Big Bang). b. Ở những thời điểm đầu tiên 10-43s, vũ trụ có kích thước 10-32m, nhiệt độ cực cao 1032K, ứng với năng lượng 1019GeV; lúc này có bốn loại tương tác thống nhất với nhau (siêu thống nhất). c. Tiếp đó, năng lượng giảm dần đến 1015GeV, tương tác hấp dẫn tách ra thành một tương tác riêng; chỉ còn ba tương tác: mạnh, điện từ, yếu, thống nhất với nhau (sự thống nhất lớn). d. Tiếp sau đó, năng lượng vào cỡ 100GeV: tương tác: mạnh tách ra chỉ còn hai tương tác điện từ và yếu thống nhất với nhau; Cuối cùng khi năng lượng giảm dần đến 0,1GeV thì các tương tác điện từ và yếu củng tách ra. Và sau đó 14 tỉ năm hình thành vũ trụ ngày nay. 21
22. 6. Máy gia tốc và phương pháp ghi nhận các hạt cơ bản. 6.1 Vai trò của máy gia tốc: Một trong những phương pháp nghiên cứu các hạt cơ bản là sử dụng các loại hạt bắn phá vào vật chất. Cấu trúc và tính chất của vật chất được phát hiện nhờ sự tương tác của các hạt kể trên với vật chất. Để có được khả năng như vậy thì các hạt phải có năng lượng nhất định và cường độ chúng đủ lớn. Phương tiện duy nhất giúp chúng ta làm được điều đó chính là máy gia tốc. Trong tự nhiên không tồn tại các hạt có năng lượng phù hợp để gây ra các tương tác vật chất. Trong vật lý hạt nhân để nghiên cứu các đặc trưng hạt nhân, các hạt cơ bản và thậm chí đến cấu trúc của các neutron thì cần có những nguồn hạt gia tốc đến năng lượng rất cao. Một loại nguồn có thể đạt được như vậy là tia vũ trụ. Năng lượng các hạt trong tia vũ trụ lên đến 1018eV, nhưng các hạt có năng lượng cao như vậy lại rất nhỏ. Vì vậy để tiến hành một nghiên cứu cần thiết phải chờ cả năm trời để tích luỹ các số liệu đáng tin cậy. Thông thường trong phản ứng hạt nhân, tiết diện của phản ứng là rất nhỏ và để một phản ứng hạt nhân xảy ra phải có một chùm hạt mật độ lớn hơn 1010hạt/cm2.s. Trong trương hợp này, máy gia tốc là phương tiện giúp ta thực hiện điều mong muốn bởi vì ngoài việc gia tốc hạt nó còn tạo ra những chùm hạt có mật độ rất lớn. Một vấn đề quan trọng nữa của là ngoài việc các chùm hạt gây phản ứng có năng lượng cao thì cần thiết phải có mật độ dòng hạt rất lớn mới đủ tạo ra về chủng loại để nghiên cứu một cách toàn diện và sâu sắc về hạt cơ bản. Không có một nguyên tố phóng xạ tự nhiên nào phát ra hạt proton hay deutron. Về phương diện này, máy gia tốc là phương diện duy nhất tạo ra đầy đủ các chủng loại hạt để nghiên cứu vật lý hạt nhân. Cũng cần nhấn mạnh là neutron là loại hạt có vai trò rất quan trọng thì lại không gia tốc được. Nhưng nhờ có các máy gia tốc bằng cách gia tốc các hạt mang điện và các phản ứng hạt nhân mà tạo ra được các neutron có năng lượng cao. Tóm lại việc nghiên cứu thế giới vi mô đòi hỏi cần có các chủng loại hạt khác nhau với mật độ lớn và gia tốc đến năng lượng cần thiết. Tuỳ thuộc vào những nghiên cứu cụ thể mà tạo ra loại hạt nào, mật độ lớn hay nhỏ và năng lượng cần phải đạt được. Tất cả những vấn đề này có thể giải quyết được nhờ vào máy gia tốc. Đó là phương tiện duy nhất có thể giúp chúng ta trong quá trình nghiên cứu thế giới vi mô. 6.2 Phân loại máy gia tốc: * Phân loại máy theo loại hạt: - Máy gia tốc hạt nặng: ví dụ các hạt proton, deutron, anpha và các ion nặng được gia tốc bằng các máy Cyclotron, Walton-Cockroft, Van De Graaff, máy gia tốc thẳng, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron. - Máy gia tốc hạt nhẹ: hạt gia tốc là electron được gia tốc bằng các máy gia tốc thẳng, Betatron, Microtron, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron. - Máy gia tốc cả hạt nặng lẫn hạt nhẹ: Walton-Cockroft, Van De Graaff, máy gia tốc thẳng. * Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt: - Máy gia tốc thẳng: bao gồm các máy gia tốc Walton-Cockroft, Van De Graaff và máy gia tốc thẳng. 22
23. - Máy gia tốc quỹ đạo tròn: bao gồm Cyclotron, Phasotron (quỹ đạo hạt là đường xoắn ốc), Microtron, Synchrotron (quỹ đạo tròn bán kính không đổi), và Synchrophasotron (các quỹ đạo tròn bán kính tăng nhưng luôn tiếp xúc tại một điểm). * Phân loại theo tính chất trường gia tốc: - Máy gia tốc tĩnh điện (điện trường 1 chiều): bao gồm các máy Walton- Cockroft, Van De Graaff và Tadem Van De Graaff. - Máy gia tốc điện trường xoay chiều: Bao gồm Cyclotron, Phasotron, Synchrophasotron, Microtron, và máy gia tốc thẳng. - Máy gia tốc từ trường biến thiên: Betatron * Phân loại theo năng lượng các hạt đựoc gia tốc: - Máy gia tốc không tương đối tính: bao gồm các máy gia tốc chỉ đưa các hạt lên đến những giá trị mà tốc độ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Ví dụ: máy gia tốc Walton-Cockroft, Van De Graaff. - Máy gia tốc tương đối tính: Bao gồm các máy gia tốc trong đó tốc độ của hạt lên đến gần tốc độ ánh sáng. Ví dụ: máy gia tốc thẳng, Betatron, Phasotron, Synchrotron, Synchrophasotron, Microtron. 6.3 Một số loại máy gia tốc thẳng 6.3.1 Máy gia tốc Walton-Cockroft C1, C2, C3, C4, C5 là các điện Anode cực được nối với hiệu điện thế Lối vào ion Hiđro 200kV D1, D2, D3, D4 là các hình trụ thuỷ tinh nối liền với các đôi điện cực. Trong điện cực phía trên cùng C1 có lổ trống qua đó thiết bị phóng điện Anode phóng các proton vào trong ống đi qua tất cả các điện cực và cuối cùng đập vào bia P trên đó đặt chất nghiên cứu. Cửa sổ quan sát Bơm chân không bia Sơ đồ phần gia tốc của thiết bị Walton-Cockroft: C' C' ' ' 1 2 C3 C4 A1 A 3 C1 C2 C3 23
24. ' - Khi khoá ở vị trí 1(nét liền): C1 và C1 mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế 200kV ' - Khi khoá ở vị trí 2 (nét đứt): C1 và C2 mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế 100kV ' - Khi khoá ở vị trí 1: C1 và C1 mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế ' 200kV, C2 và C2 mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế 50kV ' - Khi khoá ở vị trí 2: C1 và C2 mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế ' 125kV, C2 và C3 mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế 25kV. Nếu cứ tiếp tục chuyển khoá qua lại giữa vị trí 1 và 2, các tụ điện đều được tích đến hiệu điện thế 200kV, khi đó hiệu điện thế tại hai đầu A1A3 là 800kV. Bằng cách như vậy ta sẽ nhận được điện thế đòi hỏi. 6.3.2 Máy gia tốc Van De Graaff: Nguyên tắc hoạt động: Biến thế T tạo điện thế vài chục nghìn Vôn. Qua mũi nhọn O, điện tích được truyền lên băng tải A. Để có điện một chiều ta nối bộ phận chỉnh lưu K và để cân bằng điện thế ta lắp thêm tụ C. Để tích điện liên tục băng tải A được chuyển động liên tục trên trục P. Qua mũi nhọn D, điện tích được truyền từ băng tải A sang quả cầu B Năng lượng cực đại của máy Van de Graaff bị giới hạn bởi điện thế đánh thủng giữa khối cầu và vật liệu bao quanh nên những ion mang điện chỉ có thể đạt năng lượng khoảng 2-5MeV. Một cải tiến đáng lưu ý có thể nâng năng lượng lên cao là nguyên tắc Tandem. Nguyên tắc này dùng hiện tượng tái tích điện ion. Ví dụ ion H- được tăng tốc theo hướng cực dương điện thế cao. Khi chạm đến cực này, chúng xuyên qua một bản kim loại mỏng, tại đây hầu hết các ion mất 2 electron và lại trở thành các proton tích điện dương. Các proton này lại bị đẩy bởi điện cực, tức là được gia tốc thêm lần nữa. Như vậy, chùm hạt đi ra sẽ có năng lượng tăng gấp đôi. 6.3.3 Máy gia tốc thẳng: Cấu tạo: Cực A và B được tạo ra từ điện trường xoay chiều. Giữa các cực này đặt các ống hình trụ. Giữa các ống này cũng nhu giữa chúng và các điện cực A, B được tạo ra từ điện trường xoay chiều như giữa A và B. A B 1 3 5 2 4 24
25. Hoạt động: Khi VA > VB: hạt mang điện dương bay ra từ A đến ống 1 thu được năng lượng eU đi vào trong ống và chuyển động đều trong ống. Khi VA VB: lúc này V3 < V2 (chọn độ dài ống 2 thích hợp sao cho khi đó hạt ở điểm cuối cùng của ống 2) hạt được gia tốc thu năng lượng bổ sung là eU đi vào ống 3 và tiếp tục chuyển động thẳng đều trong ống 3. Như vậy, sau mỗi lần điện trường đổi dấu hạt được gia tốc từ ống này sang ống kia và thu năng lượng bổ sung là eU. Giả sử nếu có n ống thì năng lượng của hạt thu được sau khi qua các ống là neU. Tuy nhiên để đảm bảo việc gia tốc đồng bộ thì chiều dài các ống phải thoả mãn: l1 : l2 : l3 : l4 : l5 1: 2 : 3 : 4 : 5 Nguyên lý trên được đề ra để gia tốc các ion nặng, không thích hợp với hạt electron vì chúng rất nhẹ, do đơ cần phải dùng các nguồn điện áp gia tốc có tần số siêu cao tần (vi sóng) 6.4 Máy gia tốc có quỹ đạo tròn 6.4.1 Máy gia tốc Cyclotron: Cấu tạo: Gồm một hình trụ rỗng bằng kim loại cắt thành 2 phần theo đường kính gọi là duant và được đặt trong giữa 2 cực của 1 nam châm đồng nhất. Tuỳ vào loại hạt và năng lượng cần gia tốc mà bán kính của buồng gia tốc và các cực của nam châm khác nhau. Buồng gia tốc được hút chân không đến áp suất 10-5-10-6 mmHg. Tại tâm buồng giữa các duant đặt một nguồn ion đặt biệt. Các duant được nối với điện thế hình sin tần số cao. Hoạt động: Chọn tần số phù hợp của điện trường xoay chiều trên các duant, cứ mỗi lần các ion đi từ duant này sang duant khác được gia tốc và năng lượng của chúng tăng lên. Bán kính quỹ đạo tròn: mv R e.H Tần số của nguồn cao tần: e.H ω m 6.4.2 Betatron: Khi hạt chuyển động với vận tốc lớn, khối lượng của hạt tăng nên chu kì chuyển động tăng, mất dần tính đồng bộ với sự thay đổi của điện trường do sự đến chậm của hạt. Kết quả có sự giới hạn về năng lượng của hạt. Thiết bị khắc phục nhược điểm này là Betatron 25
26. Nguyên lý: Ngoài từ trường gia tốc, hạt con chịu thêm tác dụng của từ trường điều khiển. Khi đó, dòng điện tử chạy vòng tròn trong ống xem như dòng điện tròn. Suất điện động cảm ứng trong dây này là: dΦ E dt Độ biến thiên xung lượng của điện tử: dp e dΦ e F hay dp dΦ dt 2πR dt 2πR Mặt khác xung lượng điện tử còn được tính: p R.e.H hay dp R.e.dH Do đó:  2πR 2 .H Công thức trên cho biết mối liên hệ giữa giá trị tức thời của từ thông tạo ra bởi từ trường gia tốc và cường độ từ trường điều khiển tại khoảng cách R tính từ tâm. Như vậy, nam châm không thể có dạng phẳng mà phải có dạng đặc biệt. 6.4.3 Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron: Synchrocyclotron: dùng từ trường biến đổi thích hợp. Phasotron: điện trường có tần số thay đổi. Tần số được thay đổi bằng tụ xoay gắn trong khung dao động của nguồn phát cao tần Synchrophasotron: thay đổi kết hợp của từ trường và tần số. 6.5 Các phương pháp ghi nhận hạt cơ bản 6.5.1 Buồng ion hoá: Cấu tạo: là một buồng kín, thành mỏng bên trong chứa đầy khí. Buồng có 2 điện cực với điện áp từ 100V đến 1000V. Hoạt động: Hạt đi vào buồng gây ion hoá chất khí bên trong nó. Các ion dương và ion âm được tạo ra từ hạt này sẽ chạy về 2 điện cực tạo thành dòng điện để ghi nhận. Phạm vi sử dụng: Điện thế trong buồng được chọn sao cho các ion không bị tái hợp khi đến điện cực đồng thời không gây ion hoá thứ cấp. Buồng chỉ thích hợp ghi nhận các hạt có khoảng chạy ngắn. 6.5.2 Ống đếm khí phóng điện: Cấu tạo: gồm một buồng kín hình trụ, thành mỏng bằng thuỷ tinh. Bên trong được tráng một lớp kim loại mỏng hoạt động như Cathode. Anode là một sợi dây tóc mảnh căng dọc theo trục ống. Hoạt động: (gồm 3 giai đoạn) - Ion hoá cơ bản - Ion hoá thứ cấp - Sự thác lũ lặp lại 6.5.3 Ống đếm nhấp nháy: Cơ sở: dựa trên tính nhạy sáng khi có hạt đi qua một số loại vật liệu. Cấu tạo: gồm vật liệu nhấp nháy và ống nhân quang điện 26
27. Hoạt động: Hạt cần ghi nhận đi vào tinh thể nhấp nháy và bị làm chậm trong đó. Năng lượng phát ra do sự hãm lại tạo nên các nháy sáng thông qua ống nhân quang. 6.5.4 Dectector Cherenkov: Nguyên tắc: hạt chuyển động trong môi trương với vận tốc vượt quá pha ánh sáng của môi trường đó (v>c/n) thì hạt phát ra bức xạ điện từ trong chóp nón hẹp hợp với phương chuyển động một góc  được xác định theo công thức: cos=c/v.n. Cấu tạo: vật phát xạ trong suốt và ống khuếch đại quang ghi nhận. Hoạt động: Xác định góc  ta suy ra vận tốc của hạt từ đó cho biết năng lượng của hạt cần khảo sát. 6.5.5 Dectector bán dẫn: Cấu tạo: gồm 2 bán dẫn loại n và p ghép với nhau Hoạt động: Khi hạt chuyển động ngang qua chổ nối, điện tử và các lỗ trống được phát sinh dưới tác dụng của điện trường ngoài sẽ di chuyển về các điện cực tạo ra xung điện tỉ lệ với các ion được tạo thành. 6.5.6 Buồng Wilson: Cấu tạo:gồm một xylanh thuỷ tinh được nạp đầy khí trơ cùng một lượng nhỏ hơi nước. Bên dưới có 1 piston được chèn và xylanh để thay đổi áp suất của xylanh. Điện trường để bắn các ion, ngoài ra còn có nguồn sáng, máy quay phim Hoạt động: áp suất trong buồng gần đạt trạng thái bão hoà. Khi hạt đi qua buồng khí được dãn nở đoạn nhiệt nên hơi trở nên quá bão hoà. Các vết sương được hình thành dọc theo đường đi các hạt sau khi đi qua buồng. 6.5.7 Buồng bọt khí: Cấu tạo: Gồm một buồng kín lớn chứa hydro, proban và xenon hoá lỏng có nhiệt độ và áp suất nằm dưới điểm sôi một chút. Hoạt động: nếu ta giảm áp suất một cách đột ngột, chất lỏng trong buồng sẽ chuyển qua trạng thái quá sôi, không bền, dễ bay hơi. Do đó, các ion đi vào sẽ tạo nên những tâm bay hơi và quỹ đạo chuyển động của nó với các bọt hơi nhỏ có thể quan sát hay chụp ảnh. 6.5.8 Buồng quang nhũ tương dày: Nguyên tắc: các tấm mang lớp nhũ tương được đặt vào đường đi của hạt nghiên cứu và rữa ra. Sau khi rữa ảnh, các vệt đen được tạo thành bởi các hạt nhỏ của kim loại Ag xuất hiện dọc theo đường đi của các hạt. 6.5.9 Buồng tia lữa: Cấu tạo: gồm một bộ điện cực song song mỏng gần nhau chiếm diện tích 1m2 được nối xen kẽ. Một nữa số cực được nối đất và một nữa số khác được cấp một xung thế cao khi hạt qua buồng tạo thành các tia lữa. 27
28. MỤC LỤC 1. Lịch sử hạt cơ bản 1 2. Phân loại hạt cơ bản 3 3. Các đặc trưng của hạt cơ bản 3 3.1 Khối lượng 3 3.2 Điện tích 4 3.3 Thời gian sống 4 3.4 Đối hạt 5 3.5 Spin 5 3.6 Lepton tích 6 3.7 Barion tích 7 3.8 Isospin 7 3.9 Số lạ 9 4. Mẫu quark 10 4.1 Quark là gì? 10 4.2 Đặc tính của các quark 10 4.3 Cấu tạo các hạt hadron theo quark 11 4.4 Các màu của quark 13 5. Tương tác của các hạt cơ bản 15 5.1 Tương tác hấp dẫn 15 5.2 Tương tác yếu 16 5.3 Tương tác điện từ 16 5.4 Tương tác mạnh 17 5.5 Phương hướng thống nhất các loại tương tác 19 5.6 Thống nhất các tương tác và sự khởi đầu của vũ trụ 21 6. Máy gia tốc và phương pháp ghi nhận các hạt cơ bản 22 6.1 Vai trò của máy gia tốc 22 6.2 Phân loại máy gia tốc 22 6.3 Một số loại máy gia tốc thẳng 23 6.4 Máy gia tốc có quỹ đạo tròn 25 6.5 Các phương pháp ghi nhận các hạt cơ bản 26 PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 28
29. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Ngọc Giao - Hạt cơ bản và vũ trụ, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2001. 2. Nguyễn Ngọc Giao - Hạt cơ bản, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2001. 3. Hoàng Ngọc Long - Cơ sở Vật lý hạt cơ bản, NXB thống kê, 2006. 4. Nguyễn Xuân Hãn - Cơ sở lý thuyết trường lượng tử, NXB ĐHQG Hà Nội, 1998. 29