bài thực hành môn phương pháp nghiên cứu khoa học '''' máy gia tốc hạt ''''

Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh

Khoa vật lý


Bài Thực Hành

Môn: Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học

Đề tài:










GVHD: Lê Văn Hoàng
SVTH :
o Nguyễn Hải Âu
o Đỗ Thị Thanh
o Đỗ Thị Hồng Thấm



Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 5 năm 2009
1

Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH

Mục lục

Mở đầu:………………………………………………………………………… 2

1. Lịch sử máy gia tốc hạt: 4
1.1) Định nghĩa máy gia tốc hạt: 4
1.2) Phân loại máy gia tốc hạt: 4
1.2.1) Máy gia tốc thẳng: 4
1.2.2) Máy gia tốc vòng: 4
1.3) Máy gia tốc hạt đầu tiên: 5
1.4) Một số máy gia tốc hiện nay:[] 6
2. Vai trò của máy gia tốc: 18
2.1) Tìm hạt cơ bản 18
2.1.1) Định nghĩa: 18
2.1.2) Tính chất: 18
2.1.3) Phân loại các hạt cơ bản: 20
2.1.4) Tương tác của các hạt sơ cấp: 23
2.2) Phản vật chất: 27
2.2.1) Lịch sử hình thành khái niệm phản vật chất: 27
2.3) Tìm hạt Higgs: 30
2.3.1) Ý tưởng cho sự tồn tại của hạt Higgs: 31
2.3.2) Manh mối tìm ra hạt Higgs: 34
2.4) Chứng minh thực nghiệm: 34
2.4.1) Tìm trạng thái lỗ đen lượng tử:[] 34
2.4.2) Vật chất tối: 35
3. MÁY GIA TỐC LHC: 36
3.1) Định nghĩa: 36
3.2) Giới thiệu chung: 36

3.3) Mục đích :[] 36
3.4) Thiết kế và vận hành: 39
3.5) Bộ phân tích: 42
3.5.1) ATLAS: 43
3.5.2) CMS: 44
3.5.3) ALICE: 44
3.5.4) LHCb: 45
3.5.5) TOTEM: 45
3.5.6) LHCf: 46
2
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
3.6) Quá trình hoạt động 46
3.7) Chi phí 47
3.8) Thông tin: 48
3.9) Sự an toàn của LHC:[] 48
3.10) Tìm hạt Higgs:[] 50
4. Tài liệu tham khảo: 53
3
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Mở Đầu


“You will know the truth, and the Truth will set you free”
(Ngươi sẽ biết được sự thật, và sự thật sẽ giải thoát ngươi)
John
“The truth is rarely pure and is never simple”
(Sự thật ít khi trong sáng và không bao giờ đơn giản)
Oscar Wilde (nhà thơ, nhà văn Ái Nhĩ Lan)

Tôn giáo được sáng chế bởi nhân loại để tìm hiểu và giải thích sự thật khi

vắng bóng khoa học. Và với sự tiến bộ của khoa học trong một thời gian ngắn,
rất nhiều sự thật được khám phá và giải thích rõ ràng hơn so với những gì tôn
giáo đã làm trong nhiều nghìn năm qua. Những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học y
tế đã làm vơi đi nỗi khổ đau cho nhiều người so với những gì tôn giáo có thể
làm. Song song với sự tiến bộ của khoa học là sự thoái trào của niềm tin tôn giáo
trong lòng nhiều người, do đó những tranh luận về khoa học và tôn giáo càng
thêm sôi nổi khi tôn giáo và khoa học cùng bước vào lĩnh vực siêu hình qua phát
minh kỹ thuật của máy gia tốc hạt.
Leonardo Vetra - môt nhà khoa học, lại là một linh mục cơ đốc giáo - muốn
hợp nhất khoa học và tôn giáo để đưa ra lĩnh vực mới “ Vật lí mới” với công
trình nghiên cứu về máy gia tốc hạt và phản vật chất.[
1
]
Theo danh sách mà tạp chí Mỹ Time bình chọn, sự kiện khoa học lớn nhất
trong top-ten của năm 2008 là việc máy gia tốc hạt nhân (Large Hadron Collider -
LHC) lớn nhất thế giới được khởi động ngày 10/9/2008.[
I
]
Tất cả là lí do chúng em tìm hiểu đề tài này.


1
DAN BROWN ,Thiên Thần Và Ác Qủy,2007, Nhà Xuất Bản Văn Hóa Thông Tin Hà Nội, tr 60-61
4
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
1. Lịch sử máy gia tốc hạt:
1.1) Định nghĩa máy gia tốc hạt:
Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các
hạt tích điện đều được gọi chung là máy gia tốc hạt.
+ Vì vậy nguyên lý hoạt động, cấu tạo, kích thước của các máy gia tốc

là khác nhau. Máy gia tốc được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.
+ Trong vật lý, máy gia tốc đóng vai trò đặc biệt quan trọng, nó được
sử dụng trong nghiên cứu các hạt sơ cấp.
1.2) Phân loại máy gia tốc hạt:
Người ta phân biệt hai loại máy gia tốc:
1.2.1) Máy gia tốc thẳng:
Máy gia tốc thẳng là loại máy gia tốc cổ. Máy gia tốc thẳng cổ nhất là máy
gia tốc kiểu Vi-do-ro-e ra đời từ năm 1930: cho chùm hạt mang điện đi qua một
dãy nối tiếp các miền trong đó có điện trường, các hạt mang điện sẽ được tăng
tốc nhờ điện trường. Cuối cùng, các hạt mang điện có thể có năng lượng khoảng
vài trăm MeV.
Trong ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc người ta thường dùng phối hợp máy
gia tốc thẳng với máy gia tốc vòng. một số máy gia tốc thẳng có thể kể đến law
chiếc máy của Pháp, khánh thành năm 1958, và những thí nghiệm đầu tiên được
tiến hành vào năm 1959.
1.2.2) Máy gia tốc vòng:
Máy gia tốc vòng là loại máy gia tốc trong đó các hạt chuyển động theo các
đường vòng. Để buộc các hạt chuyển động theo các đường vòng, người ta dùng từ
5
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
trường của nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quĩ đạo của hạt. Còn để
tăng tốc các hạt thì người ta dùng điện trường.
+Có hai kiểu máy gia tốc vòng:
 Kiểu cyclotron: trong các cyclotron, quĩ đạo của các hạt tích điện là các
đường xoáy ốc phẳng.
 Kiểu synchrotron: trong các synchrotron, quĩ đạo của các hạt là đường
tròn, muốn quĩ đạo của các hạt là đường tròn người ta phải dùng nhiều nam
châm có cảm ứng từ khác nhau và bố trí theo thứ tự cảm ứng từ tăng dần. Mỗi
khi hạt được tăng tốc thì cảm ứng từ của từ trường phải tăng tương ứng để giữ
cho bán kính của quĩ đạo không đổi.

1.3) Máy gia tốc hạt đầu tiên:
Cyclotron là một dạng của máy gia tốc hạt.Cyclotrons: gia tốc những hạt
tích điện dùng tần số cao. Một từ trường thẳng đứng gây ra cho hạt theo hình
xoắn ốc trong một đường tròn để chúng được gia tốc nhiều lần.
Và Ernest Lawrence, của Đại học California, Berkeley, được công nhận với
cái máy Cyclotron đầu tiên vào năm 1929.
Cyclotron làm việc thế nào?
Trong Cyclotron, các điện cực được đặt trên ống chân không, một tần số
cao cung cấp cho điện cực “D”( hình chữ D) hút và đẩy những hạt điện tích
nằm ở trung tâm của từ trường, các hạt này được gia tốc khi vượt xuyên qua
khe giữa hai cực.Từ trường thẳng đứng cùng với lực hút giữa nguyên tử với
nguyên tử làm tăng chuyển động của hạt trên đường xoắn ốc.
Nếu không thay đổi năng lượng những hạt tích điện trong một từ trường
sẽ đi theo một đường tròn. Trong Cyclotron, năng lượng được cung cấp cho
6
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
hạt mang điện khi chúng vượt qua khoảng giữa “D” và vì vậy chúng được gia
tốc và sẽ tăng khối lượng khi mà chúng tiến dần đến năng lượng ánh sáng.Cả
hai hiệu ứng( tăng vận tốc và tăng khối lượng) sẽ tăng bán kính của hình tròn
và vì vậy đường đi sẽ là một đường xoắn ốc.
(Những hạt điện tích chuyển động trên một đường xoắn ốc, bởi vì dòng điện
của electron hoặc ion, phun thẳng đến một từ trường, những thí nghiệm một
lực thẳng. Những hạt điện tích chuyển động tự do trong chân không, vì vậy
những hạt điện tích phun ra một đường xoắn ốc.)
Bán kính sẽ tăng cho đến khi bắn mục tiêu nằm trên chu vi của ống chân
không.Những vật chất khác có thể được dùng làm mục tiêu, và sự va chạm sẽ
tạo những hạt điện tích thứ yếu cái mà có thể được dẫn ra ngoài Cyclotron và
đi đến dụng cụ phân tích. Kết quả sẽ cho phép tính toán những thuộc tính
khác nhau, như là khoảng cách giữa các nguyên tử và những sản phẩm va
chạm khác.

Mục đích của Cyclotron
Trong vài thập kỉ, Cyclotron là cái nguồn tốt nhất của những chùm năng
lượng cao của thí nghiệm vật lý hạt nhân, vài Cyclotron thì vẫn dùng cho
nghiên cứu.
Cyclotron có thể được dùng để xem xét ung thư. Chùm ion từ Cyclotron có
thể được dùng, để thâm nhập vào người và diệt khối u ác tính bằng xạ trị.
Chùm Cyclotron có thể được bắn phá những nguyên tử khác để tìm ra các hạt
đồng vị.
1.4) Một số máy gia tốc hiện nay:[
II
]
Cyclotrons: Máy gia tốc cộng hưởng từ.
7
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Máy gia
tốc
Vị trí
Năm
hoạt
động
Dạng
Hạt được
gia tốc
Động
năng
Thành quả
9-inch
cyclotron

UC Berkeley 1931 Tròn H2+

1.0
MeV
Ki
ểm chứng
được khái niệm
11-inch
cyclotron

UC Berkeley 1932 Tròn Proton
1.2
MeV

27-inch
cyclotron

UC Berkeley
1932-
1936
Tròn Deuteron

4.8
MeV
Khám phá và
ki
ểm chứng
tương tác c
ủa
hạt Deuteron
37-inch
cyclotron

UC Berkeley
1937-
1938
Tròn Deuteron

8 MeV

Khám phá ra các
chất đồng vị
60-inch
cyclotron

UC Berkeley
1939-
1941
Tròn Deuteron

16
MeV
Khám phá ra các
chất đồng vị
184-inch
cyclotron

B
erkeley Rad
Lab[1]
1942- Tròn Various
>100

MeV
Nghiên c
ứu sự
tách biệt tr
ên
đồng vị urani
Calutrons

Oak Ridge
National
1943-
Móng
ngựa
Uranium

nuclei

Used to separate
isotopes for the
d
ự án
8
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Laboratory Manhattan
Máy gia tốc đầu tiên xây dựng tại Lawrence Berkeley National Laboratory, sau
đó được biết như là Berkeley Radiation Laboratory.
Một số máy gia tốc cổ khác:
Synchrotrons
Máy gia tốc Vị trí
Năm ho

ạt
động
Dạng
Hạt đư
ợc
gia tốc
Động
năng
Thành
quả
Cosmotron
Phòng thí
nghiệm
qu
ốc tế
Brookhaven

1953-1968

Vòng tròn

(72 m )
Proton 3.3 GeV
Khám
phá
mesons
nhân tạo
Birmingham

Synchrotron

trư
ờng đại
học
Birmingham

1939- Proton 1 GeV
Bevatron
Berkeley
Rad Lab ie
LBNL
1954-
~1970
Đường
thẳng
Proton 6.2 GeV
Khám
phá hạ
t
lạ
:s,antipro
ton,
antineutr
on
9
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Bevalac, k
ết
hợp
máy

gia t
ốc thẳng
SuperHILA
C
và máy
Bevatron
Berkeley
Rad Lab ie
LBNL
~1970-
1993
Đường
thẳng
Các h
ạt
nhân đ
ủ
vững
chắc

Quan sát
s
ự nén
c
ủa hạt
nhân, tia
ion tác
dụng l
ên
kh

ối ung
bứu
Saturne
Saclay,
France
3 GeV
Synchrophas
otron
Dubna,
Russia
December
1949-
present
10 GeV
Zero
Gradient
Synchrotron

Phòng thí
nghiệm
qu
ốc gia
Argonne

12.5
GeV

Proton
Synchrotron

CERN
1959-
present
Vòng tròn
(600 m)
Proton 28 GeV
Alternating
Gradient
Synchrotron

Brookhaven

National
Laboratory
1960- Proton 33 GeV
J/Ψ,
muon
neutrino,
10
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
CP sự
vi
phạm
trong
kaons
SLAC Linac

Stanford
Linear
Accelerator

center
1966-
present
máy
gia
t
ốc thẳng 3
km
Electron/

Positron
50 GeV
Fermilab
Booster
Fermilab
1970-
present
Tròn Protons 8 GeV
Fermilab
Main
Injector
Fermilab
1995-
present
Tròn
Protons
and
antiproto
ns
150 GeV

Fermilab
Main Ring
Fermilab 1970-1995

Circular
Synchrotro
n
Protons
and
antiproto
ns
400 GeV
(until
1979),
150 GeV
thereafte
r

Super
Proton
CERN
1980-
present
Tròn
Protons
and ions
480 GeV

11
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Synchrotron

Bates Linear
Accelerator
Middleton,
MA
1967-2005

Thẳng
Electrons
phân cực

1 GeV
CEBAF
Thomas
Jefferson
v
ới máy gia
t
ốc quốc gia
Newport
News, VA
1984-
present

Electrons
phân cực

ELSA
Physikalisch
es Institut
der
Universität
Bonn,
Germany
1987-
present
synchrotro
n
electrons

3.5 GeV
ISIS neutron
source
Rutherford
Appleton
Laboratory,
Didcot,
Oxon
1984-
present
H- Linac Protons
800
MeV
Năng
lượng

cao khi
tia
proton
được v
ận
hành
12
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
MAMI
Mainz,
Germany

855 MeV
accelerator

Electrons

phân cực


Tevatron Fermilab
1978-
present
Supercond
ucting
Circular
Synchrotro
n
Protons 980 GeV

Spallation
Neutron
Source
Oak Ridge
National
Laboratory
2006 -

Present
Thẳng
(335 m)
và
tròn
(248
m)
Protons
800
MeV -

1 GeV

Sự va chạm của Electron-positron
Máy gia
tốc
Vị trí
Năm
vận
hành

Hình d
ạng
và chu vi
Năng
lượng
electron
Năng
lượng
Positro
n

Thí nghiệm

Khám phá
AdA
Frascati,
Italy;
Orsay,
France
1961
-
1964

Tròn, 3 m
250
MeV
250
MeV

công nh

ận
s
ự ảnh
hưởng e+e-

(1964)
13
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Princeto
n-
Stanford
(e-e-)
Stanford,
California
1962
-
1967

2 vòng
tròn, 12 m

300
MeV
300
MeV

S
ản xuất
cặp e+e-
VEP-1

(e-e-)
Novosibirs
k, Soviet
Union
1964
-
1968

2 vòng
tròn, 2.
7
m
130
MeV
130
MeV

số lượng

e+e-
trong
hi
ệu ứng
phát x
ạ
QED
VEPP-2,
VEPP-
2M
Novosibirs

k, Soviet
Union
1965
-
1999

Tròn,
17.88 m
700
MeV
700
MeV
OLYA,
ND, CMD;
SND,
CMD-2
e+e- ->
π
(1966),
e+e- -
> γ
(1971)
SPEAR SLAC
Mark I
,
Mark II
,
Mark III

PEP SLAC Mark II

SLC SLAC 45 GeV
45
GeV
SLD
, Mark
II

LEP CERN
1989
-
Tròn
,
27km
104
GeV
104
GeV
Aleph,
Delphi,
Tương tác
yếu,
14
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
2000

Opal, L3
DORIS DESY
1974
-
1993

Tròn
,
300m
5 GeV 5 GeV

ARGUS,
Crystal
Ball,
DASP,
PLUTO
S
ự dao
đ
ộng của B
mesons
PETRA DESY
1978
-
1986

Tròn
,
2km
20 GeV
20
GeV
JADE,
MARK-J,
PLUTO,

TASSO
khám phá
gluon
CESR
Cornell
University

1979
-
2002

tròn,
768m
6 GeV 6 GeV

CUSB,
CHESS,
CLEO,
CLEO-2,
CLEO-2.5,
CLEO-3
First
observati
on
of B decay,
charmless
and
"radiative
penguin" B
decays

CESR-c
Cornell
University

2002
-
2008

Tròn
,
768m
6 GeV 6 GeV

CHESS,
CLEO-c

PEP-II SLAC
1998 Tròn
, 2.2
9 GeV
3.1
Babar
CP
15
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
-
2008

km GeV viphạm
trong c

ấu
trúc
B
meson
KEKB KEK
1999
-
2008
?
Tròn
,
3km
8.0 GeV

3.5
GeV
Belle
CP vi

ph
ạm trong
cấu trúc
B
meson
VEPP-
2000
Novosibirs
k
2006
-

Tròn
,
24m
1.0 GeV

1.0
GeV

VEPP-
4M
Novosibirs
k
1994
-
Tròn
,
366m
6.0 GeV

6.0
GeV

BEPC China
1989
-
2004

Tròn
,
240m

2.2 GeV

2.2
GeV
Beijing
Spectromet
er (I and II)


DAΦNE

Frascati,
Italy
1999
-
Tròn
,
98m
0.7 GeV

0.7
GeV
KLOE
BEPC II

China
2008
-
Tròn
,

240m
3.7 GeV

3.7
GeV
Beijing
Spectromet
er III

Sự va chạm Hadron:
16
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Máy gia tốc Vị trí
Năm
vận
hành
Dạng v
à
kích
thước
H
ạt va
chạm
Năng
lượng
của tia
Nh
ững thí
nghiệm

Intersecting
Storage Rings
CERN
1971-
1984
Vòng
tròn
(948 m)
Proton/
Proton
31.5
GeV

(Super

Proton
Synchrotron)
CERN
1981-
1984
Vòng
tròn
(6.9
km)
Proton/
Antiproton
UA1, UA2
Tevatron
Run I
Fermilab

1992-
1995
Vòng
tròn
(6.3km )

Proton/
Antiproton
900
GeV
CDF, D0
Tevatron
Run II
Fermilab

2001-
present
Vòng
tròn
(6.3
km)
Proton/
Antiproton
980
GeV
CDF, D0
RHIC
proton+proton
mode

BNL
2000-
present
Vòng
tròn
(3.8
km)
Polarized
Proton/
Proton
100
đến
250
GeV
PHENIX,
STAR
17
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Large Hadron

Collider
CERN
2008-
present
Vòng
tròn
(27
km)
Proton/
Proton

7 TeV
ALICE,
ATLAS,
CMS, LHCb
,
TOTEM
Va chạm Electron-proton :
Máy gia
tốc
Vị trí
Năm
hoạt
động
Dạng v
à
kích thước
Năng
lượng
electron
Năng
lượng
proton
Thí nghiệm
HERA DESY

1992(-
2007)
Vòng
tròn(6336
m)

27.5 GeV 920 GeV
H1, ZEUS
,
HERMES,
HERA-B
Va chạm ion:
Máy gia tốc Vị trí
Năm
vận
hành
Hình
dạng v
à
kích
thước
Ion đư
ợc
dùng
Năng
lượng
ion
Cu
ộc thử
nghiệm
Relativistic
Heavy Ion
Collider
Brookhaven
National
Laboratory,

New York
2000-

3.8 km
Au-Au;
Cu-Cu; d-
Au;
polarized
pp
0.1 TeV
per
nucleon
STAR,
PHENIX,
Brahms,
Phobos
18
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Large
Hadron
Collider, ion
mode
CERN 2008-

Vòng
tròn
(27km)
Pb-pb
2.76
TeV

per
nucleon
ALICE
2. Vai trò của máy gia tốc:
2.1) Tìm hạt cơ bản
2.1.1) Định nghĩa:
Hạt cơ bản là những thực thể vi mô tồn tại như một hạt nguyên vẹn, đồng
nhất, không thể tách thành các phần nhỏ hơn; ví dụ như các hạt photon, electron,
positron, neutrino…
2.1.2) Tính chất:
2.1.2.1 Khối lượng nghỉ:
Khối lượng nghỉ hay khối lượng tĩnh của một vật là khối lượng của vật xét
trong một hệ quy chiếu mà theo hệ đó, vật là đứng yên. Đại đa số vật chất, trừ
phôtôn và nơtrinô, đều có khối lượng nghỉ khác không.
2.1.2.2 Thời gian tồn tại:
Các hạt cơ bản đa số có thể phân rã thành các hạt khác. Thời gian sống của
chúng dao động từ 10
-6
đến 10
-24
giây. Một số ít hạt cơ bản được gọi là bền, có
thời gian sống rất lớn, có thể coi là bền như electron 10
22
năm, prôtôn 10
30
năm.
Người ta nghiên cứu thời gian sống của hạt cơ bản thông qua lý thuyết xác suất,
dựa trên thời gian để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ còn lại 0.5n hạt
19
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH

2.1.2.3 Điện tích:
Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và
nơtrinô ν. Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối đều
bằng điện tích nguyên tố của electron 1.602 x 10
-19
C
2.1.2.4 Spin:
Spin là một khái niệm trong vật lý, là bản chất của mô men xung lượng và là
một hiện tượng của cơ học lượng tử thuần túy, không cùng với những sự tương
đồng trong cơ học cổ điển.
Trong cơ học cổ điển, mô men xung lượng được phát triển từ xung lượng
cho sự quay của một vật có khối lượng, và được biểu diễn bằng công thức L = r ×
p, nhưng spin trong cơ học lượng tử vẫn tồn tại ở một hạt với khối lượng bằng 0,
bởi vì spin là bản chất nội tại của hạt đó. Các hạt cơ bản như electron có thể có
spin khác 0, ngay cả khi nó được coi là chất điểm và không có cấu trúc nội tại.
Khái niệm spin được đưa ra lần đầu vào năm 1925 bởi Ralph Kronig và, đồng
thời, bởi George Unlenbeck và Samuel Goudsmit một cách độc lập.
2.1.2.5 Số lạ:
Số lạ là đại lượng đặc trưng lượng tử của các hạt cơ bản, được đưa ra khi
nghiên cứu quá trình phân rã của các hạt mêzôn K: K
+
, K
0
, và hyperon Υ: Λ
0
, Σ
+
,
Σ
0

, Σ
-
tuân theo định luật bảo toàn số lạ.
2.1.2.6 Phản hạt:
Phản hạt của một hạt sơ cấp là hạt có cùng khối lượng như hạt đã cho, song
có một hoặc một số tính chất vật lý khác cùng độ lớn nhưng có chiều ngược lại.
Ví dụ, với điện tử và phản hạt của nó positron thì có điện tích trái dấu,
nơtron và phản nơtron là mômen từ.
20
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Hầu hết các hạt cơ bản đều có phản hạt, riêng photon thì không - phản của
photon cũng chính là photon.
Các cặp hạt - phản hạt:
 Điện tử e
-
- Positron e
+

 Neutron n – phản neutron
anti
n hay
 Proton p hay p
+
- phản proton hay p
−

2.1.3) Phân loại các hạt cơ bản:
2.1.3.1 Hạt Femion:
Các hạt fermion có spin bán nguyên, ½. Mỗi hạt fermion đều có một phản
hạt riêng. Fermion là hạt cơ bản cấu thành nên vật chất. Chúng được phân loại

dựa theo tương tác trong thuyết sắc động học phân tử và theo mô hình chuẩn có
12 hương của fermion cơ bản, bao gồm 6 quark và 6 lepton.
Vì có spin nửa nguyên, khi một fermion quay 360°, hàm sóng của fermion
sẽ đổi dấu. Đó được gọi là dáng điệu hàm sóng phản đối xứng của fermion. Điều
này dẫn đến các fermion tuân theo thống kê Fermi-Dirac, hệ quả của nó là nguyên
lý loại trừ Pauli - không có hai fermion nào có thể cùng chiếm một trạng thái cơ
lượng tử vào cùng một thời điểm.
Trong Mô hình chuẩn, có hai kiểu fermion cơ bản: quark và lepton. . Vì các
số fermion thường được bảo toàn xấp xỉ nên đôi khi chúng còn được gọi là các
cấu tạo của vật chất.
Các quark:
21
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH

Các quark tương tác với nhau bởi lực màu (color force), mỗi quark đều có phản
hạt và tồn tại ở 6 hương.
Hệ

Tên/Hương

Điện tích

Khối lượng (MeV)

Phản quark
Trên (u)

+⅔ 1.5 đến 4 Phản quark trên:
1
Dưới (d)

−⅓ 4 đến 8
Phản quark dưới:
Lạ (s) −⅓ 80 đến 130 Phản quark lạ:
2
Duyên (c) +⅔ 1,150 đến 1,350 Phản quark duyên:

Đáy (b)

−⅓ 4,100 đến 4,400
Phản quark đáy:
3
Đỉnh (t) +⅔ 178,000 ± 4,300
Phản quark đỉnh:
Các Lepton:
Lepton (tiếng Hy Lạp là λεπτόν) có nghĩa là "nhỏ" và "mỏng". Tên này có
trước khi khám phá ra các hạt tauon, một loại hạt lepton nặng có khối lượng gấp
đôi khối lượng của proton.
Lepton là hạt có spin bán nguyên, ½, và không tham gia trong tương tác
mạnh. Lepton hình thành một nhóm hạt cơ bản phân biệt với các nhóm gauge
boson và quark.
Cấu trúc quark
của neutron
Cấu trúc quark của
proton
22
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Có 12 loại lepton được biết đến, bao gồm 3 loại hạt vật chất là electron,
muon và tauon, cùng 3 neutrino tương ứng và 6 phản hạt của chúng. Tất cả các
lepton điện tích đều có điện tích là -1 hoặc + 1 (phụ thuộc vào việc chúng là hạt

hay phản hạt) và tất cả các neutrino cùng phản neutrino đều có điện tích trung
hòa. Số lepton của cùng một loại được giữ ổn định khi hạt tham gia tương tác,
được phát biểu trong định luật bảo toàn số lepton.
Hạt điện tích / phản hạt Neutrino / phản neutrino
Tên Ký hiệu

Điện
tích
Khối
lượng
(GeV)
Tên
Ký
hiệu
Điện
tích
Khối
lượng
(MeV)
Electron /
Phản
electron
(positron)

−1 /
+1
0,000511
Electron
neutrino /
Electron

phản
neutrino

0 <0,000003
Muon / Ph
ản
muon

−1 /
+1
0,1056
Muon
neutrino /
Muon ph
ản
neutrino

0 <0,19
Tauon /
Phản tauon

−1 /
+1
1,777
Tau
neutrino /
Tau ph
ản
neutrino

0 <18,2
23
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
2.1.3.2 Hạt Gauge boson:
Các boson đều có spin nguyên. Các lực cơ bản của tự nhiên đuợc truyền bởi
các hạt gauge boson. Theo mô hình chun có 13 loại hạt boson cơ bản:
 Quang tử, photon, có spin 1, là hạt truyền tương tác trong lực điện từ.
 Các W boson và Z boson có spin 1 là hạt truyền tương tác trong lực
tương tác yếu.
 8 gluon có spin 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác mạnh.
Hiện tại, các thuyết vật lý dự đoán về sự tồn tại của một số boson khác như:
 Higgs boson, có spin 0, được dự đoán bởi mô hình chuẩn của thuyết
điện yếu thống nhất.
 Graviton, có spin 2, được cho là hạt truyền tương tác trong lực hấp dẫn
và được dự đoán bởi thuyết hấp dẫn lượng tử.
 Các thành phần siêu đối xứng của các hạt fermion (là slepton và
squark).
 Graviscalar có spin 0.
 Graviphoton có spin 1.
 Goldstone boson.
 X boson và phản X boson được dự đoán trong lý thuyết thống nhất
GUT.
2.1.4) Tương tác của các hạt sơ cấp:
Có 4 loại tương tác cơ bản:
24
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
2.1.4.1 Tương tác mạnh:
Lực tương tác mạnh là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Lực này giữ
các thành phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa
các proton. Lực này được chia làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực

mạnh dư. Lực tương tác mạnh ảnh hưởng bởi các hạt quark, phản quark và
gluon, cũng như các boson truyền tương tác của chúng. Thành phần cơ bản của
tương tác mạnh giữ các quark lại với nhau để hình thành các hadron như proton
và neutron. Thành phần dư của tương tác mạnh giữ các hadron lại trong hạt nhân
của một nguyên tử. Ở đây còn có một hạt gián tiếp là bosonic hadron, hay còn gọi
là meson.
Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang trong mình điện
tích màu, ở một trong 3 dạng "đỏ", "xanh lam" hoặc "xanh lơ". Đó chỉ là những
tên, hoàn toàn không liên hệ gì với màu thực tế. Đối quark là các hạt như "đối
đỏ", "đối xanh lam", "đối xanh lơ". Cùng màu đẩy nhau, trái màu hút nhau. Lực
hút giữa hạt màu và hạt đối màu của nó là rất mạnh. Các hạt chỉ tồn tại nếu như
tổng màu của chúng là trung hòa, nghĩa là chúng có thể hoặc được kết hợp với đối
đỏ, đối xanh lam và đối xanh lơ như trong các hạt baryon, proton và neutron,
hoặc một quark và một đối quark của nó có sự tương ứng đối màu (như hạt
meson).
Lực tương tác mạnh xảy ra giữa hai quark là nhờ một hạt trao đổi có tên là
gluon. Nguyên lý hoạt động của hạt gluon có thể hiểu như trái bòng bàn, và hai
quark là hai vận động viên. Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng
càng lớn, nhưng khi chúng gần xát nhau, thì lực tương tác này bằng 0. Có 8 loại
gluon khác nhau, mỗi loại mang một màu điện tích và một đối màu điện tích (có 3
loại màu, nhưng do có sự trung hòa giống như đỏ + xanh + vàng = trắng ngoài tự
nhiên, nên chỉ có 8 tổ hợp màu giữa chúng).