tiểu luận 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
2
Mục lục
Mở đầu:………………………………………………………………………… 2
1. Lịch sử máy gia tốc hạt: 5
1.1) Định nghĩa máy gia tốc hạt: 5
1.2) Phân loại máy gia tốc hạt: 5
1.2.1) Máy gia tốc thẳng: 5
1.2.2) Máy gia tốc vòng: 5
1.3) Máy gia tốc hạt đầu tiên: 6
1.4) Một số máy gia tốc hiện nay:[] 7
2. Vai trò của máy gia tốc: 17
2.1) Tìm hạt cơ bản 17
2.1.1) Định nghĩa: 17
2.1.2) Tính chất: 18
2.1.3) Phân loại các hạt cơ bản: 19
2.1.4) Tương tác của các hạt sơ cấp: 23
2.2) Phản vật chất: 26
2.2.1) Lịch sử hình thành khái niệm phản vật chất: 26

2.3) Tìm hạt Higgs: 30
2.3.1) Ý tưởng cho sự tồn tại của hạt Higgs: 30
2.3.2) Manh mối tìm ra hạt Higgs: 33
2.4) Chứng minh thực nghiệm: 33
2.4.1) Tìm trạng thái lỗ đen lượng tử:[] 33
2.4.2) Vật chất tối: 34
3. MÁY GIA TỐC LHC: 35
3.1) Định nghĩa: 35
3.2) Giới thiệu chung: 35
3.3) Mục đích :[] 36
3.4) Thiết kế và vận hành: 38
3.5) Bộ phân tích: 41
3.5.1) ATLAS: 43
3.5.2) CMS: 43
3.5.3) ALICE: 44
3.5.4) LHCb: 44
3.5.5) TOTEM: 45
3.5.6) LHCf: 45
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
3
3.6) Quá trình hoạt động 46
3.7) Chi phí 47
3.8) Thông tin: 47
3.9) Sự an toàn của LHC:[] 48
3.10) Tìm hạt Higgs:[] 49
4. Tài liệu tham khảo: 52
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
4
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
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
5
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
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
6
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
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
7
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.
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
8
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
Kiểm 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
kiểm chứng
tương tác của 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
Berkeley Rad
Lab[1]
1942- Tròn Various
>100
MeV
Nghiên cứu sự
tách biệt trên
đồng vị urani
Calutrons
Oak Ridge
National
Laboratory
1943-
Móng
ngựa
Uranium

nuclei
Used to separate
isotopes for the
dự án Manhattan
Máy gia tốc đầu tiên xây dựng tại Lawrence Berkeley National Laboratory, sau
đó được biết như là Berkeley Radiation Laboratory.
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
9
Một số máy gia tốc cổ khác:
Synchrotrons
Máy gia tốc Vị trí
Năm hoạt
động
Dạng
Hạt được
gia tốc
Động
năng
Thành
quả
Cosmotron
Phòng thí
nghiệm quốc
tế
Brookhaven
1953-1968
Vòng tròn
(72 m )
Proton 3.3 GeV
Khám

phá
mesons
nhân tạo
Birmingham
Synchrotron
trường đại
học
Birmingham
1939- Proton 1 GeV
Bevatron
Berkeley
Rad Lab ie
LBNL
1954-
~1970
Đường
thẳng
Proton 6.2 GeV
Khám
phá hạt lạ
:s,antiprot
on,
antineutro
n
Bevalac, kết
hợp máy
gia tốc thẳng
SuperHILA
C và máy
Bevatron

Berkeley
Rad Lab ie
LBNL
~1970-
1993
Đường
thẳng
Các hạt
nhân đủ
vững
chắc
Quan sát
sự nén
của hạt
nhân, tia
ion tác
dụng lên
khối ung
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
10
bứu
Saturne
Saclay,
France
3 GeV
Synchrophas
otron
Dubna,
Russia
December

1949-
present
10 GeV
Zero
Gradient
Synchrotron
Phòng thí
nghiệm quốc
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,
CP sự vi
phạm

trong
kaons
SLAC Linac
Stanford
Linear
Accelerator
center
1966-
present
máy gia tốc
thẳng 3 km
Electron/
Positron
50 GeV
Fermilab Fermilab 1970- Tròn Protons 8 GeV
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
11
Booster present
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
thereafter
Super
Proton
Synchrotron
CERN
1980-
present
Tròn
Protons
and ions
480 GeV
Bates Linear
Accelerator
Middleton,
MA
1967-2005 Thẳng

Electrons
phân cực
1 GeV
CEBAF
Thomas
Jefferson với
máy gia tốc
quốc gia
Newport
News, VA
1984-
present
Electrons
phân cực
ELSA Physikalisch
es Institut
der
1987-
present
synchrotro
n
electrons 3.5 GeV
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
12
Universität
Bonn,
Germany
ISIS neutron
source
Rutherford

Appleton
Laboratory,
Didcot,
Oxon
1984-
present
H- Linac Protons 800 MeV
Năng
lượng cao
khi tia
proton
được vận
hành
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 dạng
và chu vi
Năng
lượng
electron
Năng
lượng
Positro
n
Thí nghiệm Khám phá

Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
13
AdA
Frascati,
Italy;
Orsay,
France
1961-
1964
Tròn, 3 m 250 MeV
250
MeV
công nhận
sự ảnh
hưởng e+e-
(1964)
Princeto
n-
Stanford
(e-e-)
Stanford,
California
1962-
1967
2 vòng
tròn, 12 m
300 MeV
300
MeV
Sản 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
hiệu ứng
phát xạ
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
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
14
II
LEP CERN
1989-
2000
Tròn ,
27km
104 GeV
104
GeV
Aleph,
Delphi,
Opal, L3
Tương tác
yếu,

DORIS DESY
1974-
1993
Tròn ,
300m
5 GeV 5 GeV
ARGUS,
Crystal
Ball,
DASP,
PLUTO
Sự dao
động 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
observation
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 , 2.29 GeV 3.1 Babar CP viphạm
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
15
2008 km GeV
trong cấu
trúc B

meson
KEKB KEK
1999-
2008
?
Tròn , 3km 8.0 GeV
3.5
GeV
Belle
CP vi phạm
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:
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
16

Máy gia tốc Vị trí
Năm
vận
hành
Dạng và
kích
thước
Hạt va chạm
Năng
lượng
của tia
Những 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
Large Hadron
Collider
CERN
2008-
present
Vòng
tròn (27
km)
Proton/
Proton

7 TeV
ALICE,
ATLAS, CMS,
LHCb,
TOTEM
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
17
Va chạm Electron-proton :
Máy gia
tốc
Vị trí
Năm hoạt
động
Dạng và 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 và
kích
thước
Ion được
dùng
Năng
lượng ion
Cuộc 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
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:
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
18
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
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 ×
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
19
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.
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
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
20
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:

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
1
Trên (u) +⅔ 1.5 đến 4 Phản quark trên:
Dưới (d) −⅓ 4 đến 8
Phản quark dưới:
2
Lạ (s) −⅓ 80 đến 130 Phản quark lạ:
Duyên (c) +⅔ 1,150 đến 1,350 Phản quark duyên:
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
Cấu trúc quark
của neutron
Cấu trúc quark của
proton
21
3
Đáy (b) −⅓ 4,100 đến 4,400
Phản quark đáy:
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.
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
0 <0,000003
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
22
neutrino

Muon / Phản
muon
−1 /
+1
0,1056
Muon
neutrino /
Muon phản
neutrino
0 <0,19
Tauon /
Phản tauon
−1 /
+1
1,777
Tau neutrino
/ Tau phản
neutrino
0 <18,2
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.
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
23
• 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:
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).
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH
24
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).
Mỗi một cặp tương tác của quark, chúng luôn luôn thay đổi màu, nhưng
tổng màu điện tích của chúng được bảo toàn. Nếu một quark đỏ bị hút bởi một
quark xanh lam trong một baryon, một gluon mang đối xanh lam và đỏ được giải
phóng từ quark đỏ và hấp thụ bởi quark xanh lam, và kết quả, quark đầu tiên
chuyển sang quark xanh lam và quark thứ hai chuyển sang quark đỏ (tổng màu
điện tích vẫn là xanh lam + đỏ). Nếu một quark xanh lơ và một đối xanh lơ quark
tuơng tác với nhau trong một meson, một gluon mang, ví dụ như đối đỏ và xanh
lơ sẽ được giải phóng bởi quark xanh lơ và hấp thụ bởi một đối xanh lơ quark, và
kết quả, quark xanh lơ chuyển sang màu đỏ và đối xanh lơ đối quark chuyển sang
màu đỏ (tổng màu điện tích vẫn là 0). Hai quark xanh lam đẩy nhau và trao đổi
một gluon mang điện tích màu xanh lam và đối xanh lam, các quark vẫn dữ
nguyên điện tích màu xanh lam.
Hiện tượng không thể tách rời các quark xa nhau gọi là hiện tượng giam
hãm (confinement). Có một giả thuyết rằng các quark gần nhau sẽ không tồn tại
lực tương tác mạnh và trỏ thành tự do, giả thuyết này còn gọi là sự tự do tiệm
cận và có thể được giải thích bằng nguyên lý quả bóng bàn như trên.
2.1.4.2 Tương tác điện từ:
Lực điện từ là lực mà điện-từ trường tác dụng lên hạt mang điện tích
(chuyển động hay đứng yên).
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH

25
Theo biểu diễn cổ điển của lực điện từ, lực này gồm hai thành phần, do điện
trường tạo ra (lực điện) và do từ trường tạo ra (lực từ).
Lực điện từ đôi khi còn được gọi là lực Lorentz, mặc dù thuật ngữ này cũng
có thể chỉ dùng để nói về thành phần gây ra bởi từ trường. Lý do là trong lý
thuyết điện từ và lý thuyết tương đối, từ trường và điện trường được thống nhất
thành một trường tạo ra tương tác duy nhất gọi là trường điện từ. Đặc biệt, trong
lý thuyết tương đối, biểu thức lực từ và lực tĩnh điện quy tụ về một biểu thức duy
nhất.
Việc thống nhất lực điện và lực từ thành một loại lực điện từ cũng phù hợp
với quan điểm của lý thuyết điện động lực học lượng tử. Theo lý thuyết này, lực
điện từ được gây ra bởi sự trao đổi của hạt trường là photon.
Mô hình chuẩn ghi nhận lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên.
2.1.4.3 Tương tác yếu
Lực tương tác yếu là 1 trong 4 loại lực cơ bản của tự nhiên xảy ra ở mọi hạt
cơ bản, trừ các hạt proton và gluons, ở đó có sự trao đổi của các hạt truyền tương
tác là vector W boson và Z boson.
Lực tương tác yếu xảy ra ở một biên độ rất ngắn, bởi vì khối lượng của
những hạt W boson và Z boson vào khoảng 80 GeV, nguyên lý bất định bức chế
chúng trong một khoảng không là 10
− 18
m, kích thước này chỉ nhỏ bằng 0,1% so
với đường kính của proton. Trong điều kiện bình thường
[cần dẫn nguồn]
, các hiệu ứng
của chúng là rất nhỏ. Có một số định luật bảo toàn hợp lệ với lực tương tác mạnh
và lực điện từ, nhưng lại bị phá vỡ bởi lực tương tác yếu. Mặc dầu có biên độ và
hiệu xuất thấp, nhưng lực tương tác yếu lại có một vai trò quan trọng trong việc
hợp thành thế giới mà trong đó ta quan sát.
Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH