Bg Hat Co Ban Nguyen t Thuy Hang 717

8/19/2019 Bg Hat Co Ban Nguyen t Thuy Hang 717

1/29

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 trongcấu trúc vật chất ở mức độ vi mô, có thể nói là thang bậc tiếp theo sau chuỗi các đốitượng phân tử, nguyên tử, hạt nhân. Thật ra tên gọi của hạt cơ bản ngày nay đãkhông 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 lượngđể tiến hành nghiên cứu, môn vật lý hạt cơ bản còn được gọi là vật lý năng lượngcao, 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 sosánh ta hãy nhớ lại năng lượng liên kết trong hạt nhân nguyên tử chỉ vào cỡ8MeV=8.106eV.

ĐN: Các hạt vi mô (hay vi hạt), những hạt có kích thước vào cỡ kích thước hạtnhân 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, tatạm thời không xét đến cấu tạo bên trong củachúng. 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 khinghiên cứu kĩ tính chất của tia âm cực. Thomson đã khẳng định rằng tia này chínhlà 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 vậtđen 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 hiệuứng quang điện. Thí nghiệm trực tiếp chứng tỏ sự tồn tại của photon đã được tiếnhành 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 (năm1919) đã tìm thấy trong thành phần hạt nhân có hạt proton p với khối lượng bằng1840 lần khối lượng electron, và điện tích dương về mặt trị số đúng bằng điện tíchelectron. Thành phần khác của hạt nhân, hạt neutron n, được Heisenberg vàIvanenko 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 bằnghạt p, nhưng không mang điện tích. Bằng việc phát hiện ra hạt neutron n các nhà


2/29

2

vật lý đã hoàn thành việc khám phá ra các thành phần cấu tạo nên nguyên tử và dođó cấu tạo nên thế giới vật chất.

Cũng cần nói thêm là trong vật lý hạt cơ bản, với tư cách là một chuyênngành 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 thựcsự được tìm thấy (Reines, Cowan). Hạt neutrino không có khối lượng, không điệntích và tương tác rất yếu với vật chất.

Từ những năm 30 đến đầu những năm 50 việc nghiên cứu hạt cơ bản liênquan chặt chẽ với việc nghiên cứu tia vũ trụ. Năm 1932, trong thành phần của tiavũ 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+ đãđược 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 racác hạt meson , có khối lượng khoảng 274 lần khối lượng electron. Hạt có mộtvai trò đặc biệt quan trọng trong tương tác giữa các nuclon (proton, neutron) tronghạt 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 hạtlạ, 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 (vachạm) của các hạt p hay e- ở năng lượng cao. Từ những năm 50 trở đi các máy giatốc là công cụ chính để nghiên cứu hạt cơ bản. Ngày nay năng lượng đạt được đãlên đến hàng trăm GeV, và trong tương lai không xa, hàng ngàn GeV (tức hàngTeV)

Máy gia tốc proton p với hạt nặng vài GeV đã giúp khám phá ra các phản hạtnặng: 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 -, vớikhối lượng gần gấp đôi khối lượng hạt proton. Trong những năm 60 người ta cònkhám 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 (vàokhoảng 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 sốngđặc biệt lớn hơn hạt cộng hưởng. Hạt này mở đầu cho một họ hạt mới - các hạtduyên - 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 họcác hạt đẹp được tìm thấy từ năm 1981.


3/29

3

Trước đó, vào năm 1975 người ta đã tìm thấy hạt , với tính chất rất giốnghạt e, nhưng khối lượng lớn hơn nhiều. Sau đó ít lâu, loại neutrino thứ ba đi vớinó, 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. Cáchạt này có vai trò tương tự hạt photon , nhưng lại có khối lượng rất lớn, gấp cảtrăm 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 bảnđược 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 tươngtác mạnh, chỉ tham gia tương tác yếu, điện từ, hấp dẫn. Chúng gồm 2 loại: Leptonmang 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 ,....),,,,( n p

+ 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.

Hạt trường: truyền tương tác gồm: g A Z G ,,,W,0

3. Các đặc trưng của hạt cơ bản3.1

Khối lượng:

Mỗi hạt đều có khối lượng nghỉ m0 xác định, trừ hạt photon có khối lượngnghỉ bằng không. Khối lượng thường được diễn tả qua đơn vị năng lượng (MeV/c2,GeV/c2). Chẳng hạn electron có me=0,511MeV/c

2, proton có m p=938,3MeV/c2.

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 vàtrong một số trường hợp phải có khối lượng. Thực nghiệm cũng không chống lạilập luận này.

Tuỳ theo khối lượng mà người ta chia làm 3 loại hạt cơ bản:- Hạt nhẹ (lepton), ví dụ: me = 0,511MeV/c

2 - Hạt nặng (barion), ví dụ: m p = 938,3 MeV/c

2, mn = 939,6MeV/c2

- Hạt trung gian (meson), ví dụ: πm =139,6MeV/c2, 0πm = 135MeV/c

2

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 khácnhau, chẳng hạn như:


4/29

4

m p - mn = 938,3 – 939,6 = -1,3MeV/c2

0ππmm = 139,6 – 135 = 4,6MeV/c

2

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 điệntích là bội số nguyên (âm hoặc dương) của điện tích nguyên tố e=1,6.10 -19C giữ vaitrò 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 loạinhư sau:

- Hạt bền: thời gian sống thực tế là vĩnh viễn do các hạt không tự phân rãhay 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 thờigian 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


5/29

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

,........

~

~

K

e K

e

e

e

+ Rã bán lepton: hadronhadron + lepton

,...

~

0

0

e

e

e

e K

e

e pn

+ Rã không lepton: hadronhadron

,....

0

0

n

p

K

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 nghiệmchứng tỏ nơtron vẫn có momen từ khác không; khi đó đối nơtron là hạt cơ bản cócùng 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

γĐối hạt e+ e- π- π0 γ

3.5 Spin

Thực nghiệm và lý thuyết chứng tỏ rằng, đối với mỗi vi hạt, ngoài các đặctrưng đã nêu như khối lượng, điện tích, thời gian sống, còn một đại lượng nữa gọilà momen spin (hay thông số spin hoặc số lượng tử spin), đặc trưng cho chuyểnđộng 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:

)1( s sS


6/29

6

và hình chiếu trên một trục z bất kì cho bởi: z z mS

ms là số lượng tử hình chiếu spin:.,1,...,0,...,1, s s s sm 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 bánnguyên.

Ví dụ: với hạt electron 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 hạtfermion. Các fermion tạo nên vật chất ở dạng “chất”, chúng tuân theo nguyên lýloại trừ Pauli: Hai fermion đồng nhất như nhau không thể ở trong cùng một trạngthái.

- 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 thờichúng 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 hạtthông thường – chúng truyền tương tác từ các fermion này sang fermion khác vàràng 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 kênày 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 nàyđòi hỏi hàm sóng đối xứng và do đó không hạn chế số lượng hạt ở cùng một trạngthái.

3.6

Barion tích

Để mô tả quá trình có barion tham gia, người ta đưa một số lượng tử mới làsố Barion B.

B =1 đối với các hạt trong nhóm barion ,...),,,,( pn 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 )0( B .Ví dụ:

pppppp~ : B = 2

ππ p~ p : B = 0 p~ pn pπ : B = 1

e~e pn : B = 1, Le = 0, Q = 0


7/29

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 ,,,,,

ee

L= -1 cho tất cả các phản lepton ~,,~,,~, ee thì trong tất cả các quá trình số lepton bảo toàn. Nghĩa là hiệu của số leptonở trạng thái đầu Li và trạng thái cuối Lf triệt tiêu:

0 i f L L L

Ta gán 3 loại lepton ,,, ea La được gọi là số lepton thế hệ:

Lepton e L L L

ee , +1 0 0

, 0 +1 0

, 0 0 +1

Thực nghiệm cho thấy, các số lepton thế hệ của electron và neutrino liên hợpvới 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 + 1Le: 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 rấtnhỏ, nên để phân biệt các loại neutrino người ta phải dùng các phép thử dựa trênquy tắc bảo toàn lepton thế hệ:

,,, eaa aY l X

trong đó X, Y là các vật thử. Nếu ở trạng thái cuối của phương trình trên ta thu

được lepton al 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

3010 p 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 khốilượng nhỏ nhất. Trường hợp của neutrino hơi khác do có sự trộn lẫn dẫn đến sựchuyển 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 đềugiống nhau, chỉ khác nhau về điện tích. Để mô tả các trạng thái điện khác nhau của


8/29

8

nhóm hạt đó người ta đưa vào một số lượng tử mới – isospin I (còn gọi là spin đồngvị): mỗi nhóm hạt như vậy còn gọi là đa tuyến isospin, có số thành phần (số trạngthái 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

2

SBmQ I

trong đó thành phần mI trên trục z nhận các giá trị: I, I - 1, …, - IMột 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).

Ta có N=2 suy ra2

1I . Vì 1B nên ta có:

02

1

2

1Q:(neutron)

2

1m

121

21Q:(proton)

21m

I

I

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

I

1 ½ 0 -½ -1

Barion ½01½0

+

p

0

0

0

-

n

- -

Meson 1½0

+ K +

0

0 K 0

-

Isospin chỉ bảo toàn trong tương tác mạnh. Như ta có thể thấy, tương tự nhưspin, isospin I có thể có các giá trị nguyên hay bán nguyên, và các nhóm hạt tươngứng 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 + + nTrước phản ứng ta có:

2

1

2

10m I 2

1,

2

31

2

11,

2

11I

Sau phản ứng ta có:


9/29

9

2

1

2

11m I 2

1,

2

31

2

11,

2

11I

Ta thấy, đối với mọi tương tác mạnh và tương tác điện từ, mI tổng cộng cũngđược bảo toàn.

3.9 Số lạTrong 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 gọilà hiện tượng tạo cặp liên hợp.

Ví dụ: K Σ pπ 00- K λ pπ

0K ~

Σnπ 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 + -

K 0 + + - nπΣ nπΣ

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:

BQ2S Những hadron nào có S 0 đều được gọi là hadron lạ.Ví dụ:

- Lưỡng tuyến nuclon có 011S1B;2

1Q . Do đó proton và

neutron không phải là hạt lạ.

- Tam tuyến +, -, 0 có 1S03

011Q

. Do đó, các hạt trên

là hạt lạ.

- Tam tuyến meson có điện tích trung bình 0B0,Q 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.

- Lưỡng tuyến meson K (K +, K 0) có điện tích trung bình2

1Q vì vậy S =

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


10/29

10

Q: -1 + 1 = 0 + 0B: 0 + 1 = 1 + 0S: -1 + 0 = -1 + 0

Số lạ S không bảo toàn trong tương tác yếu, chẳng hạn quá trình phân rã yếucủa hạt lamđa () với thời gian đặc trưng 10 –10 giây:

0 p + -

Q: 0 = 1 - 1B: -1 = 1 - 1S: -1 0 + 0

3.9.2

Số lạ và isospin:

Hệ thức ta có trước đây2

BmQ I chỉ đúng trong các trường hợp cho các

hạt có S=0. Trong trường hợp tổng quát ta phải áp dụng hệ thức Gell-Mann- Nishijima:

2SBmQ I

Từ đây, ta suy ra công thức số lạ S: B)m2(QS I . Dựa vào công thứcnày, người ta kiểm tra được hạt nào là hạt lạ hay không phải. Thật vậy, năm 1959,

người ta biết được hạt , hạt này có Q = -1, B = 1, S = -2, và2

1m I , người ta

đã dự đoán phải tồn tại một hạt có2

1m I . Quả nhiên, sau đó, người ta đã tìm thấy

hạt có2

1m

I

như dự đoán.

4. Mẫu quark4.1 Quark là gì?

Năm 1963, Gellmann đưa ra lí thuyết rằng tất cả các hạt hadron đều đượccấu tạo từ các hạt cơ bản gọi là hạt quark. Ban đầu, ông cho rằng các hạt hadronđược 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 tíchlà đơn vị hay bằng không nhân với e (e hay bằng 0), các hạt quark có điện tích làmột phân số của e:

- Quark u có e

3

2Q , hay viết gọn là

3

2Q )


11/29

11

- Quark d có e3


3

1Q )

- Quark s có e3


3

1Q )

Các phản hạt của chúng có điện tích ngược dấu.4.2.2 Barion tích:

Cả 3 hạt quark trên có barion tích3

1B và phản hạt của chúng có

3

1B .

4.2.3 Spin:

Tất cả các quark đều có spin2

1s . Chúng là những hạt fermion và tuân

theo phân bố Fermi-Dirac và nguyên lí Pauli.

4.2.4

Isospin:

Hai quark u và d tạo nên lưỡng tuyến isospin2

1I (hai quark này có khối

lượng gần bằng nhau, và có tất cả các tính chất khác như nhau, ngoại trừ điện tích).

Do đó, đối với quark u có2

1I 3 và đối với quark d có 2

1I3 Còn quark s là một

đơn tuyến nên có I = 0

4.2.5 Số lạ:

Số lạ của các quark cũng được tính theo công thức:BQ2S

Hai quark u và d tạo nên lưỡng tuyến isospin. Do đó điện tích trung bình củalưỡng tuyến này là:

6

1)

3

1

3

2(

2

1)Q(Q

2

1Q du

Từ đó, suy ra số lạ của u và d là: 03

1

6

2S . Do đó hai hạt quark u và d

không phải là hạt lạ. Còn quark s là một đơn tuyến nên 31

Q và có số lạ là

-13

1

3

1.2S . Vậy quark s là hạt lạ.

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:

proton


12/29

12

p = u + u + dSự 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~ :

d~

u~u~ p~

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 + dTa cũng suy ra cấu tạo của hạt phản proton n~ :

d~

d~

u~ p~ Từ cấu tạo của các nuclon ta thấy trong sự phân rã +

và -

trong lòng hạt nhân chỉ là cơ chế chuyển đổi của cácquark trong proton và neutron mà thôi. Đối với phân rã - thì một quark d đãchuyển thành quark u đồng thời phóng ra 2 lepton là e01 và e

~00 . 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

phóng ra 2 lepton là e01 và e 00 .

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: d~uπ Các định luật bảo toàn được nghiệm đúng như sau:

Q:3

1

3

21

B:3

1

3

10

S: 000 Các meson luôn là các boson (spin = 0) vì các quark và

phản quark đều có spin=½.

Bảng cấu tạo một số meson:

)s~sd~

du~u(6

1η

s~dK s;u~K ;s~uK

)d~

du~(u2

1π;u~dπ;d

~uπ

0

0

0

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

neutron

meson +


13/29

13

Ta thấy 0 có điện tích Q = 0, barion tích B = 1, số lạ S = -1 và dễ dàng thấycác 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: ,du~π,d

~uπ

sd~

K ~

s,u~K ,s~dK ,s~uK 000 …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).

Ví dụ:

ssd,ssu

sdd,sdu,suu

ddund,uu p

0

0

Như vậy, từ cấu trúc trên, ta chỉ có thể cấu thành 48 hạt quark mà thôi. Tuynhiên trong thực tế, người ta đã tìm thấy trên 400 hạt loại hadron. Như vậy chắcchắn 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:

Q:3

1

3

1

3

11

B: 3

1

3

1

3

1

1 S: 1113 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 trạngthái 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 tađưa 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 hạtquark 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 làmàu. 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


14/29

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 quarkcũng 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 nhưngkhác nhau về màu, do đó sự cấu tạo không vi phạm nguyên lí Pauli:

- = sr + s b + 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 cócấu 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 bảngồm:

- Bốn hạt lepton: electron(e), neutrino e( e ), muon(), neutrino muon()

- Ba loại quark: u, d, sTheo lí thuyết đối xứng của tự nhiên thì sự tồn tại các hạt này không có tínhđối 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

bởi lượng tử số “duyên” (charm), có khối lượng 1,5 GeV/c2, có điện tích3

2Q

Sự tồn tại của quark này đã được chứng minh vào năm 1974 khi người ta tìmra hạt meson mới: hạt J-Psi, kí hiệu J/, hạt này cấu tạo bởi một quark c và phảnquark c~ . Sau đó, người ta tìm được nhiều hạt meson và barion khác có thành phầnlà quark c.

Ví dụ: các meson duyên: cd~D , c~dD , cu~D 0 , c~uD~ 0 s~cF , sc~F

các barion duyên: ucdΛ c

Năm 1975, người ta tìm thấy một lepton mới là tau (), do đó tính chất đốixứng một lần nữa bị phá vở. Tin tưởng vào thuyết đối xứng, người ta đưa ra quarkmùi thứ năm là quark b mang tên là quark đáy (bottom), đặc trưng bởi lượng tử sốđẹp (beauty), có khối lượng 4,7GeV. Ngay sau khi giả thuyết ra đời người ta đãkiểm chứng được sự tồn tại của quark b bằng sự phát hiện hạt upsilon (Y) có thành

phần cấu tạo như sau:

b~ bY Khối lượng của Y khoảng 10 GeV, nó là một meson.


15/29

15

Cùng với lepton , người ta cũng chứng minh sự tồn tại của hạt neutrino tau(), cũng là một lepton.

τπτ 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 làquark đỉnh (top) dự đoán được tạo thành do 2 chùm electron và positron có nănglượng cở 10 GeV gặp nhau và vào năm 1984, người ta đã chứng minh được điềuđó.

Đến đây, ta có thể đưa bảng các lepton và các hạt quark như sau:Lepton:

Hạt Q M(MeV/c2) s B L I mI S Neutrino e e < 7.10

-6 bền

Neutrino < 0,25 bền

Neutrino < 35 ?Electron e- 0,51 bềnMuon - 105,66 2,2.10-6sTau - 1784,1 3,04.10-13s

Quark:Hạt c(b) Q M(MeV/c2) s B L I mI Su (up) 1,5 4 bềnd (down) 4 8 bền

s (strange) 80 130 bềnc (charm) 1150 1350 bền b (bottom) 4100 4400 bềnt (top) 178000 4300 bền

Sáu quark và sáu lepton được công nhận là các hạt thật sự cơ bản cho đếnngày nay.

5. Tương tác của các hạt cơ bảnCác 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 dẫnLực hấp dẫn của hai vật có khối lượng m1 và m2 cách nhau một khoảng r là:

r

r

r

mmGF

221

với G=6,67.10-11 N.m2/kg2, dấu (-) chỉ lực hútĐặc 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 đótương tác hấp dẫn chỉ ‘đáng kể’ trong thế giới vĩ mô. Khi khảo sát các


16/29

16

hạt sơ cấp người ta thường bỏ qua tương tác này vì nó nhỏ quá khôngđáng kể.

- Tương tác hấp dẫn có thể tác dụng trên một khoảng cách lớn tuỳ ý vàluôn là lực hút.

- Hạt truyền tương tác: gravion G00

có spin =2, không mang điện, khôngcó 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 xungquanh trái đất. Các gravion thực vẫn chưa quan sát được.

5.2 Tương tác yếuBao 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 lựctương 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 cóspin 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 10-11sHạt 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, hạtZ0 có Q =0) và có khối lượng rất lớn.

Ví dụ 1: xét tương tác yếu đặc trưng là sự phân rã - của neutron:

e

0

0

0

1

1

1

1

0~

e pn hay: e

00

01-

~ed)u(ud)d(u

thực chất của quá trình phân rã là: e00

01-

~eW,Wud

Ví dụ 2: xét tương tác yếu đặc trưng là sự phân rã + của proton:

e00

01

11

10 en p

hay: e00

01ed)d(ud)u(u

thực chất của quá trình phân rã là: e00

01eW,Wdu

5.3 Tương tác điện từTương tác điện từ là tương tác giữa các hạt mang điện. Hạt có điện tích qchuyển động với vận tốc v trong trường điện từ B,E

sẽ chịu tác dụng của một lực:

BvEqF

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 tươngtác. 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 tầmtác dụng lớn.


17/29

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 xungquanh hạt nhân nguyên tử.

Các photon thực quan sát được. Chẳng hạn, trong nguyên tử khi mộtelectron 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, quátrình này sử dụng hết năng lượng photon, vì vậy nó bị hấp thụ. Có nghĩa là photonthực 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 vĩmô) 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 làmeson là hạt trung gian trong tương tác hạt nhân.

Proton nhả + thành neutron: nπ p

Proton hấp thụ - thành neutron: nπ p

Proton cũng có thể cho ra 0 và proton khác: pπ p 0

Neutron nhả - thành proton: pπn Neutron hấp thụ + thành proton: pπn

Neutron cũng có thể cho ra 0 và neutron khác: nπn 0 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: nπ pπ 0 hay: d)d(u)u~(ud)u(u)u~(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-dHạt truyền tương tác: gluon g00 có spin =1, có màu. Gluon chỉ tương tác vớichính nó và với hạt quark.

Tương tác mạnh cũng là tương tác giữa các meson và meson K và cáchyperon 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


18/29

18

Một suy nghĩ tự nhiên đặt ra là: lực gì đã giữ cho 3 quark với 3màu khác nhau để tạo thành một hadron? Đã giữ quark và phản quarktạo 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 họclượng 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 cácquark 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- Gluon là hạt trung gian truyền tương tác

- Có 8 loại gluon- Gluon truyền tương tác giữa màu nhưng

cũng có màu

- Tương tác giữa các điện tích- Photon là hạt trung gian truyền tương tác

- Chỉ có một loại photon- Photon truyền tương tác điện từ nhưng

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 u b, 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 trạngthái riêng lẽ. Vì các gluon luôn có màu sắc nên khi tổ hợp chúng lại thành một tậphợp 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 (


19/29

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 (hạttrường)

Mạnh 1 10 –15 8 gluonĐiện từ 1/137 Vô hạn 1 photonYếu 10-14 10 –18

0,W¦ Z

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 mômenxung 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. Trongtương tác mạnh có sự bảo toàn số lạ S, bảo toàn spin đồng vị I, bảo toàn hình chiếuspin đồng vị. Trong tương tác điện từ có sự bảo toàn số lạ S, bảo toàn hình chiếuspin đồng vị. Trong tương tác yếu có hạt lạ tham gia, số lạ S và spin đồng vị biếnđổi.

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 loạitương 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 đãthống 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 nhấtqua mô hình Weinberg-Salam. Tính đúng đắn của lí thuyết này thể hiện ở chổ cácdự đoán của lí thuyết đều được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm. Một trong nhữngkết quả đó là việc phát hiện ra các hạt boson vectơ trung gian W+, W-, và Z0 vàocuối 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 nhấtgiữa các tương tác điện từ-yếu và tương tác mạnh vì thấy rằng các hạt trung gianmang tương tác của 3 loại này đều có spin =1. Lí thuyết này gọi là tí thuyết thốngnhất 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 bariontích khác không.


20/29

20

Gth: sinh và huỷ cặp các

hạt nặng có B0Phân biệt: quark, lepton

?

TT điện TT từ

TT điện từ(ĐĐL lượng tử)

TT yếu TT mạnh(SĐL lượng tử)

TT hấp dẫnHD lượn tử

TT điện từ - yếuThu ết điện ếu

mô hìnhWeinber -Salam

W+, W-, Z

LT. THỐNG

NHẤT LỚNThang NL: 1015GeV

spin hạttru ền TT=1

SIÊU THỐNG NHẤT


21/29

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 chưađạt yêu cầu ở 2 điểm:

- Vẫn còn phân biệt 2 loại hạt khác nhau: các hạt vật chất gồm các leptonvà 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 cứunày 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 củavũ 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 10

32

K, ứng với năng lượng 10

19

GeV; lúc này có bốn loại tương tác thốngnhất 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 vớinhau (sự thống nhất lớn).

d. Tiếp sau đó, năng lượng vào cỡ 100GeV: tương tác: mạnh tách ra chỉ cònhai 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.


22/29

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 loạihạt bắn phá vào vật chất. Cấu trúc và tính chất của vật chất được phát hiện nhờ sựtương 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 giúpchúng 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 cáctương tác vật chất. Trong vật lý hạt nhân để nghiên cứu các đặc trưng hạt nhân, cáchạt cơ bản và thậm chí đến cấu trúc của các neutron thì cần có những nguồn hạt giatốc 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 lượngcao như vậy lại rất nhỏ. Vì vậy để tiến hành một nghiên cứu cần thiết phải chờ cảnăm trời để tích luỹ các số liệu đáng tin cậy. Thông thường trong phản ứng hạtnhân, tiết diện của phản ứng là rất nhỏ và để một phản ứng hạt nhân xảy ra phải cómột 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 còntạo 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 cónăng lượng cao thì cần thiết phải có mật độ dòng hạt rất lớn mới đủ tạo ra về chủngloại để nghiên cứu một cách toàn diện và sâu sắc về hạt cơ bản. Không có mộtnguyên tố phóng xạ tự nhiên nào phát ra hạt proton hay deutron. Về phương diệnnày, máy gia tốc là phương diện duy nhất tạo ra đầy đủ các chủng loại hạt đểnghiên cứu vật lý hạt nhân. Cũng cần nhấn mạnh là neutron là loại hạt có vai trò rấtquan trọng thì lại không gia tốc được. Nhưng nhờ có các máy gia tốc bằng cách giatốc các hạt mang điện và các phản ứng hạt nhân mà tạo ra được các neutron cónăng lượng cao.

Tóm lại việc nghiên cứu thế giới vi mô đòi hỏi cần có các chủng loại hạtkhác nhau với mật độ lớn và gia tốc đến năng lượng cần thiết. Tuỳ thuộc vào nhữngnghiên 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 giớivi 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 nặngđược gia tốc bằng các máy Cyclotron, Walton-Cockroft, Van De Graaff, máy giatốc thẳng, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron.

- Máy gia tốc hạt nhẹ: hạt gia tốc là electron được gia tốc bằng các máy giatốc thẳng, Betatron, Microtron, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron.

- Máy gia tốc cả hạt nặng lẫn hạt nhẹ: Walton-Cockroft, Van De Graaff, máygia tốc thẳng.

* Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt:

- Máy gia tốc thẳng: bao gồm các máy gia tốc Walton-Cockroft, Van DeGraaff và máy gia tốc thẳng.


23/29

23

- Máy gia tốc quỹ đạo tròn: bao gồm Cyclotron, Phasotron (quỹ đạo hạt làđường xoắn ốc), Microtron, Synchrotron (quỹ đạo tròn bán kính không đổi), vàSynchrophasotron (các quỹ đạo tròn bán kính tăng nhưng luôn tiếp xúc tại mộtđiểm).

* 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 hạtlên đến những giá trị mà tốc độ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Ví dụ: máygia 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 thẳng6.3.1 Máy gia tốc Walton-Cockroft

C1, C2, C3, C4, C5 là các điệncực được nối với hiệu điện thế200kV

D1, D2, D3, D4 là các hình trụthuỷ tinh nối liền với các đôi điệncực.

Trong điện cực phía trên cùngC1 có lổ trống qua đó thiết bị phóngđiện Anode phóng các proton vàotrong ống đi qua tất cả các điện cựcvà cuối cùng đập vào bia P trên đóđặt chất nghiên cứu.

Sơ đồ phần gia tốc của thiết bịWalton-Cockroft:

Anode

Cửa sổ quan sátBơm chân không

Lối vào ion Hiđro

bia

'1C

1C

'3C

'4C

'2C

3C2C

1A 3A


24/29

24

- Khi khoá ở vị trí 1(nét liền): C1 và'1C mắc song song tích đầy đến hiệu

điện thế 200kV- Khi khoá ở vị trí 2 (nét đứt): C1 và

'2C mắc song song tích đầy đến hiệu

điện thế 100kV

- Khi khoá ở vị trí 1: C1 và'1C mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế

200kV, C2 và'2C mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế 50kV

- Khi khoá ở vị trí 2: C1 và'2C mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế

125kV, C2 và'3C 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 đượctích đến hiệu điện thế 200kV, khi đó hiệu điện thế tại hai đầu A 1A3 là 800kV. Bằngcách 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 mũinhọn O, điện tích được truyền lên băng tải A. Để có điện một chiều ta nối bộ phậnchỉnh lưu K và để cân bằng điện thế ta lắp thêm tụ C. Đểtích điện liên tục băng tải A được chuyển động liên tụctrên 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 baoquanh nên những ion mang điện chỉ có thể đạt năng lượngkhoảng 2-5MeV. Một cải tiến đáng lưu ý có thể nâng năng

lượng lên cao là nguyên tắc Tandem. Nguyên tắc này dùnghiện tượng tái tích điện ion. Ví dụ ion H - được tăng tốctheo hướng cực dương điện thế cao. Khi chạm đến cựcnày, chúng xuyên qua một bản kim loại mỏng, tại đây hầuhết các ion mất 2 electron và lại trở thành các proton tíchđiện dương. Các proton này lại bị đẩy bởi điện cực, tức làđược gia tốc thêm lần nữa. Như vậy, chùm hạt đi ra sẽ cónăng 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 cựcnày 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

2

3

4

5


25/29

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 V2 < V1 (chọn độ dài ống 1 thích hợp sao cho khi đó

hạt ở điểm cuối cùng của ống 1) hạt được gia tốc thu năng lượng bổ sung là eU đivào ống 2 và tiếp tục chuyển động thẳng đều trong ống 2.

Khi VA > VB: lúc này V3 < V2 (chọn độ dài ống 2 thích hợp sao cho khi đóhạt ở điểm cuối cùng của ống 2) hạt được gia tốc thu năng lượng bổ sung là eU đivào 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 sangống kia và thu năng lượng bổ sung là eU. Giả sử nếu có n ống thì năng lượng củahạt 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:5:4:3:2:1:::: 54321 l l l l l

Nguyên lý trên được đề ra để gia tốc các ion nặng, không thích hợp với hạtelectron vì chúng rất nhẹ, do đơ cần phải dùng các nguồn điện áp gia tốc có tần sốsiêu cao tần (vi sóng)

6.4 Máy gia tốc có quỹ đạo tròn6.4.1 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 hạtvà 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 thếhình 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 tănglên.

Bán kính quỹ đạo tròn:

e.H

mvR

Tần số của nguồn cao tần:

m

e.Hω

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 đếnchậm của hạt. Kết quả có sự giới hạn về năng lượng của hạt. Thiết bị khắc phụcnhược điểm này là Betatron


26/29

26

Nguyên lý: Ngoài từ trường gia tốc, hạt con chịu thêm tác dụng của từtrường điều khiển. Khi đó, dòng điện tử chạy vòng tròn trong ống xem như dòngđiện tròn. Suất điện động cảm ứng trong dây này là:

dt

dΦE

Độ biến thiên xung lượng của điện tử:

dt

dΦ

2π

eF

dt

dp

R hay dΦ

2π

edp

R

Mặt khác xung lượng điện tử còn được tính:R.e.H p hay R.e.dHdp

Do đó: .HπR 2 2 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 từtâm. 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 tầnSynchrophasotron: thay đổi kết hợp của từ trường và tần số.

6.5 Các phương pháp ghi nhận hạt cơ bản6.5.1 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 iondương và ion âm được tạo ra từ hạt này sẽ chạy về 2 điện cực tạo thành dòng điệnđể ghi nhận.

Phạm vi sử dụng: Điện thế trong buồng được chọn sao cho các ion không bịtái hợp khi đến điện cực đồng thời không gây ion hoá thứ cấp. Buồng chỉ thích hợpghi 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 dâytóc 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


27/29

27

Hoạt động: Hạt cần ghi nhận đi vào tinh thể nhấp nháy và bị làm chậm trongđó. Năng lượng phát ra do sự hãm lại tạo nên các nháy sáng thông qua ống nhânquang.

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 hẹphợp 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 trốngđược phát sinh dưới tác dụng của điện trường ngoài sẽ di chuyển về các điện cựctạo 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 cónhiệt 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 sẽchuyển qua trạng thái quá sôi, không bền, dễ bay hơi. Do đó, các ion đi vào sẽ tạonên những tâm bay hơi và quỹ đạo chuyển động của nó với các bọt hơi nhỏ có thểquan 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 hạtnghiên cứu và rữa ra. Sau khi rữa ảnh, các vệt đen được tạo thành bởi các hạt nhỏcủa 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 cấpmột xung thế cao khi hạt qua buồng tạo thành các tia lữa.


28/29

28

MỤC LỤC

1. Lịch sử hạt cơ bản.................................................................................................. 12. Phân loại hạt cơ bản.............................................................................................. 33. Các đặc trưng của hạt cơ bản............................................................................... 33.1 Khối lượng...............................................................................................................33.2 Điện tích...................................................................................................................43.3 Thời gian sống.........................................................................................................43.4 Đối hạt.....................................................................................................................53.5 Spin..........................................................................................................................53.6 Lepton tích...............................................................................................................63.7 Barion tích................................................................................................................73.8 Isospin......................................................................................................................7 3.9 Số lạ.......................................................................................................................94. Mẫu quark............................................................................................................ 10

4.1 Quark là gì?............................................................................................................104.2 Đặc tính của các quark...........................................................................................104.3 Cấu tạo các hạt hadron theo quark...............................................................114.4 Các màu của quark......................................................................................135. Tương tác của các hạt cơ bản............................................................................. 155.1 Tương tác hấp dẫn.................................................................................................155.2 Tương tác yếu........................................................................................................165.3 Tương tác điện từ...................................................................................................165.4 Tương tác mạnh.....................................................................................................175.5 Phương hướng thống nhất các loại tương tác..............................................195.6 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..................................... 226.1 Vai trò của máy gia tốc..........................................................................................226.2 Phân loại máy gia tốc.............................................................................................226.3 Một số loại máy gia tốc thẳng................................................................................236.4 Máy gia tốc có quỹ đạo tròn..................................................................................256.5 Các phương pháp ghi nhận các hạt cơ bản............................................................26

PHỤ LỤCTÀI LIỆU THAM KHẢO


29/29

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.

Bg Hat Co Ban Nguyen t Thuy Hang 717

Documents

Transcript of Bg Hat Co Ban Nguyen t Thuy Hang 717