Sử dụng máy gia tốc hạt để nghiên cứu hạt nhân và tìm ra một số hạt cơ bản

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, khẩn trương đến nay đề tài
khóa luận tốt nghiệp của em đã hoàn thành. Trong thời gian nghiên cứu em đã
được sự giúp đỡ tận tình của giảng viên – Th.s Hoàng Phúc Huấn – người
trực tiếp hướng dẫn em làm đề tài này cùng các thầy cô trong khoa Vật Lí,
đặc biệt là tổ Vật Lý lý thuyết trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 và các bạn
sinh viên khoa Vật Lý.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật Lý
trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, cùng gia đình, bạn bè đã động viên khích
lệ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này.

Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Tâm


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp “Sử dụng máy gia tốc hạt để
nghiên cứu hạt nhân và tìm ra một số hạt cơ bản”, đây là khóa luận tốt nghiệp
của bản thân. Tất cả những thông tin tham khảo dùng trong khóa luận lấy từ
các công trình nghiên cứu có liên quan đều được nêu rõ nguồn gốc trong danh
mục tài liệu tham khảo. Các kết quả nghiên cứu đưa ra trong khóa luận tốt
nghiệp là hoàn toàn trung thực

Ngày

tháng

năm 2013

TÁC GIẢ

Phạm Thị Tâm


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: MÁY GIA TỐC ..................................................................... 3
1.1. Định nghĩa máy gia tốc hạt ...................................................................... 3
1.2. Phân loại máy gia tốc hạt ......................................................................... 3
1.3. Máy gia tốc hạt đầu tiên .......................................................................... 4
1.4. Một số máy gia tốc hiện nay .................................................................... 6
CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA MÁY GIA TỐC ........................................ 17
2.1. Tìm hạt cơ bản....................................................................................... 17
2.2. Phản vật chất ......................................................................................... 24
2.3. Chứng minh thực nghiệm ...................................................................... 27
2.4. Một số hình ảnh về máy gia tốc hạt ....................................................... 28
CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG MÁY GIA TỐC HẠT ĐỂ TÌM RA MỘT
SỐ HẠT CƠ BẢN ...................................................................................... 30
3.1. Định nghĩa ............................................................................................. 30
3.2. Giới thiệu chung .................................................................................... 30
3.3. Mục đích ............................................................................................... 31
3.4. Thiết kế và vận hành.............................................................................. 33
3.5. Bộ phân tích .......................................................................................... 36
3.6. Quá trình hoạt động ............................................................................... 39
3.7. Chi phí................................................................................................... 40
3.8. Thông tin ............................................................................................... 41
3.9. Sự an toàn của LHC .............................................................................. 41

3.10. Tìm một số hạt cơ bản ......................................................................... 43
KẾT LUẬN ................................................................................................. 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 47


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Vật lý hạt nhân là một phần cơ bản trong vật lý đại cương. Những
thành tựu của vật lý hạt nhân đã góp phần đáng kể trong việc phát triển vật lý
nhân loại. Nó có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống con
người như chữa bệnh, khảo cổ, tạo ra năng lượng … Công cụ chính để tạo ra
phản ứng hạt nhân chính là máy gia tốc. Máy gia tốc là thiết bị dùng điện
trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt mang điện tích.
Máy gia tốc được phát triển nhờ những sáng kiến về vật lý hạt nhân và vật lý
hạt cơ bản xuất phát từ những khát vọng khám phá thế giới tự nhiên của con
người. Tiếp theo đó máy gia tốc được xây dựng đã mở ra một lĩnh vực khoa
học máy gia tốc mới đan xen với rất nhiều ứng dụng của máy gia tốc. Bên
cạnh đó máy gia tốc còn đóng vai trò vô cùng quan trọng, nó được sử dụng
trong nghiên cứu các hạt sơ cấp. Large Hadron Collider là chiếc máy gia tốc
hạt hiện đại lớn nhất và cung cấp gia tốc mạnh nhất trên thế giới, được thiết
kế để tạo va chạm trực diện giữa các tia proton với động năng cực lớn. Mục
đích chính của nó là phá vỡ những giới hạn và mặc định của mô hình chuẩn những lý thuyết cơ bản hiện thời của vật lý hạt. Trên lý thuyết, chiếc máy này
được cho là sẽ chứng minh được sự tồn tại của hạt Higgs, những kết quả
nghiên cứu từ chiếc máy này có thể chứng minh những dự đoán từ trước cũng
như những liên kết còn thiếu trong mô hình chuẩn, và giải thích được những
hạt sơ cấp khác có được những đặc tính như khối lượng như thế nào. Vì các lý
do trên tôi chọn đề tài: “SỬ DỤNG MÁY GIA TỐC HẠT ĐỂ NGHIÊN
CỨU HẠT NHÂN VÀ TÌM RA MỘT SỐ HẠT CƠ BẢN".
2. Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo, hoạt động của máy gia tốc hạt
- Máy gia tốc hạt được sử dụng để nghiên cứu các hạt sơ cấp

1


3. Đối tượng nghiên cứu
- Máy gia tốc hạt
- Các hạt sơ cấp
- Vai trò của các máy gia tốc hạt
4. Giả thuyết khoa học
- Sử dụng máy gia tốc hạt để cung cấp năng lượng cho các hạt sơ cấp
- Giải thích trạng thái lỗ đen lượng tử và vật chất tối
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Sử dụng các máy gia tốc hạt:
+ Máy gia tốc thẳng
+ Máy gia tốc vòng
- Nghiên cứu chuyển động của hạt sơ cấp trong điện từ trường
6. Phương pháp nghiên cứu
- Đọc và tra cứu tài liệu
- Tìm hiểu vai trò của máy gia tốc
7. Cấu trúc khóa luận: khóa luận gồm 03 chương
Chương 1: Máy gia tốc hạt
Chương 2: Vai trò của máy gia tốc hạt
Chương 3: Sử dụng máy gia tốc để tìm ra một số hạt cơ bản

2


NỘI DUNG

CHƯƠNG 1. MÁY GIA TỐC

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.
+ Sự đa dạng của các loại máy gia tốc, năng lượng, cường độ và chất
lượng cùng với các dòng hạt thứ cấp sinh ra từ chúng như bức xạ hãm, bức xạ
đồng bộ, nơtron, mesons, các chùm hạt nhân phóng xạ đã mở rộng lĩnh vức
ứng dụng của máy gia tốc.
1.2. Phân loại máy gia tốc hạt
Trong quá trình được gia tốc hạt có thế chuyển động theo quỹ đạo
thẳng hoặc quỹ đạo tròn. Trên cơ sở tính chất của quỹ đạo người ta phân ra
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 chiếc máy của Pháp, khánh thành năm 1958, và những thí nghiệm đầu
tiên được tiến hành vào năm 1959.
3

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 (hạt chuyển động theo đường xoáy ốc từ tâm ra ngoài
với bán kính ngày càng tăng hoặc hạt chuyển động theo các đường tròn có
bán kính ngày càng tăng và luôn luôn tiếp xúc với nhau tại một điểm). Để
buộc các hạt chuyển động theo các đường vòng, người ta dùng từ 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, quỹ đạo của các hạt tích điện là
các đường xoáy ốc phẳng.
 Kiểu synchrotron: trong các synchrotron, quỹ đạo của các hạt là
đường tròn, muốn quỹ 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 quỹ 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.
Cơ chế làm việc của Cyclotron
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.
4

Hình 1.1 Sơ đồ của Cyclotron

Hình 1.2 Buồng gia tốc của
Cyclotron

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 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 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 hoặc có thể dung để bắn phá
các nguyên tử khác để tìm ra các hạt đồng vị. Vài Cyclotron thì vẫn dùng cho
nghiên cứu xem xét ung thư và diệt các khối u ác tính bằng xạ trị.

5

1.4. Một số máy gia tốc hiện nay
Bảng 1.1: Cyclotrons Máy gia tốc cộng hưởng từ.
Máy gia
tốc
9-inch

Vị trí
UC

cyclotron Berkeley
11-inch

UC

cyclotron Berkeley
27-inch

UC

cyclotron Berkeley
37-inch

UC

cyclotron Berkeley
60-inch

UC

cyclotron Berkeley
184-inch Berkeley
cyclotron Rad Lab[1]

Năm hoạt
động

Laboratory

Hạt được Động
gia tốc

1931

Tròn H2+

1932

Tròn Proton

1932-1936 Tròn Deuteron

1937-1938 Tròn Deuteron

1939-1941 Tròn Deuteron

1942-

Tròn Various

Thành quả

năng
1.0

Kiểm chứng được

MeV khái niệm
1.2
MeV
4.8
MeV
8

Khám phá và kiểm
chứng tương tác
của hạt Deuteron
Khám phá ra các

MeV chất đồng vị
16

Khám phá ra các

MeV chất đồng vị
>100
MeV

Nghiên

cứu

sự

tách biệt trên đồng
vị urani
Được sử dụng để

Oak Ridge
Calutrons National

Dạng

1943-

Móng Uranium

đồng vị riêng biệt

ngựa nuclei

cho

các dự

án

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:
6


Bảng 1.2: Synchrotrons
Máy gia tốc

Cosmotron

Vị trí
Phòng thí nghiệm
quốc tế Brookhaven

Birmingham

trường đại học

Synchrotron

Birmingham

Bevatron

Berkeley Rad Lab ie
LBNL

Năm hoạt

Dạng

động
1953-1968

Vòng tròn
(72 m )

1939-

Hạt được gia
tốc

Động năng

Proton

3.3 GeV

Proton

1 GeV

Khám phá
mesons nhân tạo

Khám phá hạt lạ:
1954-~1970

Đường thẳng

Proton

6.2 GeV

s,antiproton,
antineutron

Bevalac, kết hợp

Quan sát sự nén

máy gia tốc thẳng Berkeley Rad Lab ie
SuperHILAC và

Thành quả

LBNL

~1970-1993

Đường thẳng

Các hạt nhân

của hạt nhân, tia

đủ vững chắc

ion tác dụng lên

máy Bevatron

khối ung bứu

Saturne

Saclay, France

Synchrophasotron

Dubna, Russia

3 GeV
December

10 GeV

1949-present
7


Zero Gradient

Phòng thí nghiệm

Synchrotron

quốc gia Argonne

Proton

Synchrotron
Alternating
Gradient
Synchrotron
SLAC Linac
Fermilab Booster
Fermilab Main
Injector

CERN

Brookhaven
National Laboratory
Stanford Linear
Accelerator center

12.5 GeV

1959-present

Vòng tròn (600
m)

Proton

28 GeV
J/Ψ, muon

1960-

Proton

33 GeV

phạm trong kaons
1966-present

máy gia tốc thẳng

Electron/

3 km

Positron
Protons

Fermilab

1970-present

Tròn

Fermilab

1995-present

Tròn

Protons and
antiprotons

50 GeV
8 GeV
150 GeV
400 GeV

Fermilab Main
Ring

Fermilab

neutrino, CP sự vi

1970-1995

Circular

Protons and

(until 1979),

Synchrotron

antiprotons

150 GeV
thereafter

8

Super Proton
Synchrotron
Bates Linear
Accelerator

CERN

1980-present

Tròn

Middleton, MA

1967-2005

Thẳng

Protons and
ions
Electrons
phân cực

480 GeV

1 GeV

Thomas Jefferson
CEBAF

với máy gia tốc quốc
gia Newport News,

Electrons

1984-present

phân cực

VA
Physikalisches
ELSA

Institut der
Universität Bonn,

1987-present

synchrotron

electrons

3.5 GeV

Germany
ISIS neutron
source

MAMI

Rutherford Appleton
Laboratory, Didcot,

Năng lượng cao
1984-present

H- Linac

Protons

Oxon
Mainz, Germany

800 MeV

khi tia proton
được vận hành

855 MeV

Electrons

accelerator

phân cực

9


Superconducting

Tevatron

Fermilab

1978-present

Circular

Protons

980 GeV

Synchrotron
Spallation Neutron Oak Ridge National
Source

Laboratory

2006 - Present

Thẳng (335 m) và
tròn (248 m)

10

Protons

800 MeV 1 GeV

Bảng 1.3: Sự va chạm của Electron-positron

Máy gia tốc

Vị trí

Năm vận

Hình dạng và

hành

chu vi

1961-1964

Tròn, 3 m

Năng

Năng

lượng

lượng

electron

Positron

Thí nghiệm

Frascati,
AdA

Italy; Orsay,

công nhận sự ảnh

250 MeV 250 MeV

hưởng e+e- (1964)

France
Princeton-

Stanford,

Stanford (e-e-)

California

VEP-1

Novosibirsk,

(e-e-)

Soviet Union

VEPP-2,

Novosibirsk,

VEPP-2M

Soviet Union

SPEAR

SLAC

1962-1967

1964-1968

1965-1999

2 vòng tròn,
12 m
2 vòng tròn,
2.7 m

Khám phá

300 MeV 300 MeV

Sản xuất cặp e+esố lượng e+e-

130 MeV 130 MeV

trong hiệu ứng
phát xạ QED

Tròn, 17.88
m

OLYA, ND,
700 MeV 700 MeV CMD; SND,
CMD-2
Mark I,

11

e+e- -> π (1966),
e+e- -> γ (1971)


Mark II,
Mark III
PEP

SLAC

SLC

SLAC

Mark II
45 GeV

45 GeV

SLD, Mark
II
Aleph,

LEP

CERN

1989-2000

Tròn , 27km

104 GeV

104 GeV

Delphi,

Tương tác yếu,

Opal, L3
ARGUS,
DORIS

DESY

1974-1993

Tròn , 300m

5 GeV

5 GeV

Crystal Ball, Sự dao động của B
DASP,

mesons

PLUTO
JADE,
PETRA

DESY

1978-1986

Tròn , 2km

20 GeV

20 GeV

MARK-J,
PLUTO,
TASSO

12

khám phá gluon


CUSB,
CHESS,
CESR

Cornell
University

1979-2002

tròn, 768m

6 GeV

6 GeV

CLEO,
CLEO-2,
CLEO-2.5,
CLEO-3

CESR-c

Cornell
University

2002-2008

6 GeV

6 GeV

9 GeV

3.1 GeV

Babar

Belle

SLAC

1998-2008 Tròn , 2.2 km

KEKB

KEK

1999-2008

Tròn , 3km

8.0 GeV

3.5 GeV

VEPP-2000

Novosibirsk

2006-

Tròn , 24m

1.0 GeV

1.0 GeV

VEPP-4M

Novosibirsk

1994-

Tròn , 366m

6.0 GeV

6.0 GeV

BEPC

China

1989-2004

Tròn , 240m

2.2 GeV

2.2 GeV

13

of B decay,
charmless and
"radiative
penguin" B decays

CHESS,

Tròn , 768m

PEP-II

First observation

CLEO-c

Beijing
Spectrometer

CP viphạm trong
cấu trúc B meson
CP vi phạm trong
cấu trúc B meson

(I and II)
DAΦNE

Frascati, Italy

1999-

Tròn , 98m

0.7 GeV

0.7 GeV

KLOE
Beijing

BEPC II

China

2008-

Tròn , 240m

3.7 GeV

3.7 GeV Spectrometer
III

14


Bảng 1.4 Sự va chạm
m Hadron
Máy gia tốc
Intersecting
Storage Rings
(Super

Vị trí

Năm vận
v hành Dạng và kích thước

CERN

1971
1971-1984

Vòng tròn (948 m)

CERN

1981
1981-1984

Vòng tròn (6.9 km)

Fermilab

1992
1992-1995

Vòng tròn (6.3km )

Proton Synchrotron)
Tevatron
Run I
Tevatron
Run II
RHIC
proton+proton mode

Fermilab 2001
2001-present

BNL

2000
2000-present

Vòng tròn (6.3 km)

Vòng tròn (3.8 km)

Hạt va chạm
Proton/
Proton

Năng lượng

Những thí

của tia

nghiệm

31.5 GeV

Proton/

UA1, UA2

Antiproton
Proton/
Antiproton
Proton/
Antiproton

900 GeV

CDF, D0

980 GeV

CDF, D0

Polarized Proton/ 100 đến 250

Proton

GeV

PHENIX,
STAR
ALICE,

Large Hadron
Collider

CERN

2008
2008-present

Vòng tròn (27 km)

Proton/
Proton

7 TeV

ATLAS,
CMS, LHCb,
TOTEM

15

Bảng 1.5 Va chạm Electron-proton
Máy gia

Vị trí

tốc
HERA

Năm hoạt

Dạng và kích

Năng lượng

Năng lượng

động

thước

electron

proton

27.5 GeV

920 GeV

DESY 1992(-2007)

Vòng tròn(6336
m)

Thí nghiệm
H1, ZEUS, HERMES,
HERA-B

Bảng 1.6 Va chạm ion
Năm
Máy gia tốc

Vị trí

vận
hành

Relativistic Heavy Brookhaven National
Ion Collider

Laboratory, New York

mode

CERN

kích thước

Ion được dùng

Au-Au; Cu-Cu;

2000-

3.8 km

d-Au; polarized
pp

Large Hadron
Collider, ion

Hình dạng và

2008-

Vòng tròn
(27km)

16

Pb-pb

Năng lượng
ion

Cuộc thử nghiệm

0.1 TeV per STAR, PHENIX,
nucleon

2.76 TeV

per nucleon

Brahms, Phobos

ALICE


CHƯƠNG 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 mà bản thân chúng không
có cấu trúc bên trong; 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 1022 năm, prôtôn
1030 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.

17


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.
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+, K0, và hyperon Υ:
Λ0, Σ+, Σ0, 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 antin 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.

18


Vì có spin nửa
ửa nguyên,
nguy
khi một
ột fermion quay 360°, hhàm sóng của
fermion sẽẽ đổi dấu. Đó đ

được gọi là dáng điệu hàm sóng phản
ản đối xứng của
fermion. Điều này dẫn
ẫn đến các fermion tuân theo thống kê
k Fermi
Fermi-Dirac, hệ
quả của nó làà nguyên lý lo
loại trừ Pauli - không có hai fermion nào có thể
th cùng
chiếm một trạng thái cơ
ơ lư
lượng tử vào cùng một thời điểm.
Trong Mô hình chu
chuẩn, có hai kiểu fermion cơ bản:
ản: quark vvà lepton. . Vì
các số fermion thường
ờng được
đ
bảo toàn xấp xỉ nên
ên đôi khi chúng ccòn được gọi
là các cấu
ấu tạo của vật chất.
Các quark:

Cấu trúc quark củ
ủa neutron

Cấu trúc quark củủa proton

Sơ đồ 2.1 Sơ đồ

ồ cấu trúc quark của neutron và
v proton
Các quark tương tác với
v nhau bởi lực màu (color force),
), m
mỗi quark đều
có phản hạt và tồn
ồn tại ở 6 hương.
h
Bảng 2.1 Quark
Hệ

Tên/Hương Điện tích Khối lượng (MeV)

Phản
n quark

Trên

(u) +⅔

1.5 đến 4

Phản
n quark trên:

Dưới

(d) −⅓

4 đến 8

Phản
n quark dưới:
dư

Lạ

(s) −⅓

80 đến 130

Phản
n quark lạ:
l

Duyên (c) +⅔

1,150 đến 1,350

Phản
n quark duyên:

Đáy

(b) −⅓

4,100 đến 4,400

Phản

n quark đáy:

Đỉnh

(t) +⅔

178,000 ± 4,300

Phản
n quark đỉnh:
đ

1

2

3

19


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.
Bảng 2.2 So sánh hạt và phản hạt
Hạt điện tích / phản hạt

Tên

Electron

Ký hiệu

Điện
tích

Neutrino / phản neutrino

Khối
lượng

Tên

(GeV)

Ký

Điện

hiệu

tích

Khối
lượng
(MeV)

Electron

/

Phản

−1 /

electron

+1

neutrino

/

0,000511 Electron

0

<0,000003

0

<0,19

phản

(positron)

neutrino
Muon

Muon
Phản muon

/

−1 /
+1

0,1056

neutrino

/

Muon phản
neutrino

20

Tau
Tauon

/

Phản tauon

−1 /
+1

1,777

neutrino
Tau

/

phản

0

<18,2

neutrino

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 chung 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.

21


2.1.4. Tương tác của các hạt sơ cấp
Chúng là các hạt truyền tương tác giữa các cấu tử vật chất. Cho đến nay
có thể cho rằng, giữa thế giới của các hạt vật chất có bốn loại tương tác 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, liên kết
các quark có màu để tạo thành hadron, trong đó có proton, neutron, các hạt
tạo nên hạt nhân nguyên tử. 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.
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).
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 trở 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.

22