Cấu trúc vật chất từ nucleon đến quark

CÊu tróc vËt chÊt
CÊu tróc vËt chÊt
Tõ
Tõ
nucleon ®Õn quark
nucleon ®Õn quark
Summer School 2005
Summer School 2005
NguyÔn MËu Chung
NguyÔn MËu Chung
Vietnam National University
Vietnam National University
TrÇn Minh T©m
TrÇn Minh T©m
EPFL Lausanne Switzerland
EPFL Lausanne Switzerland
Particle Physics Ha Noi July 2005 2
Tóm tắt nội dung
Tóm tắt nội dung

Đầu thế kỷ XX :

Vật chất, nguyên tử, ánh sáng, phóng xạ.

Các tương tác cơ bản, đối xứng.

Các hạt cơ bản.

Cơ sở thực nghiệm : máy gia tốc, detector.

Cơ sở lý thuyết : trường chuẩn.

Mô hình chuẩn.

Hai vấn đề thời sự :

LHC, máy gia tốc tương lai của CERN.

Quan hệ Vật lý Hạt cơ bản và vũ trụ học.

Thay cho kết luận.
Particle Physics Ha Noi July 2005 3
§Çu thÕ kû XX
§Çu thÕ kû XX
§Çu thÕ kû XX, con ng­êi biÕt :

Nguyªn tö (DÐmocrite), ph©n tö, tinh thÓ.

¸nh s¸ng, tia X (Roentgen).

C¸c tr¹ng th¸i cña vËt chÊt.

Phãng x¹ (alpha, bªta, gamma).

Electron (J.J. Thomson ®o e/m (1897) --->
khèi l­îng electron < 1/1000 khèi l­îng
nguyªn tö.
Particle Physics Ha Noi July 2005 4
Nguyªn tö
Nguyªn tö


M« h×nh nguyªn tö
cña J.J. Thomson.

T¸n x¹ α trªn vµng
Rutherford (1909).

Nguån α (Polonium).

Bia vµng l¸ dµy µm.

Detector ZnS (nhÊp
nh¸y).

Quan s¸t b»ng kÝnh
hiÓn vi.

Particle Physics Ha Noi July 2005 5
Phân bố hạt
Phân bố hạt



Theo mô hình của Thomson,
hạt tập trung thành vết trên
màn ảnh sau bia.

Kết quả thực nghiệm :

Phần lớn hạt tập trung thành vết
trên màn ảnh sau bia.

Một số hạt bị lệch hướng (tán
xạ).

Một số ít hạt có góc tán xạ lớn
(bật ngược trở lại).

Kết quả như nhau cho bia vàng,
bạc, mica.
Particle Physics Ha Noi July 2005 6
Mẫu hành tinh nguyên tử
Mẫu hành tinh nguyên tử

Hạt nhân :

Tích điện dương.

Rất nhỏ bé (10
-15
m).

Nguyên tử --> sân bóng.

Hạt nhân --> quả bóng.

Khối lượng nguyên tử tập trung
ở hạt nhân.

Hạt nhân làm tán xạ hạt .

Electron quay quanh hạt
nhân.
Particle Physics Ha Noi July 2005 7
neutron
neutron

Hydrogène trong hạt nhân (Rutherford).

Bức xạ đâm xuyên (Bother và Becker).

Tia năng lượng cao 50 MeV (Curie).

Thí nghiệm của Chadwick :

Lặp lại thí nghiệm Curie với các nguyên tố khác
nhau.

Xác định khối lượng neutron, thông qua hạt nhân
giật lùi.
Particle Physics Ha Noi July 2005 8
H¹t nh©n nguyªn tö
H¹t nh©n nguyªn tö

H¹t nh©n gåm proton vµ
neutron (nucleon).

Trong nucleon cã c¸c quark
hãa trÞ : p(uud), n(udd).

Quark t­¬ng t¸c m¹nh víi

nhau th«ng qua gluon.

Nucleon cÊu t¹o tõ quark
hãa trÞ, gluon vµ quark biÓn.
Particle Physics Ha Noi July 2005 9
Hai vấn đề đầu thế kỷ XX
Hai vấn đề đầu thế kỷ XX
Tương đối và Lượng tử
Tương đối và Lượng tử

Vận tốc ánh sáng là
hằng số (Michelson và
Moreley) mâu thuẫn
với quan niệm chung
bấy giờ.

Được giải quyết nhờ
Thuyết tương đối hẹp.

Tương tác ánh sáng với vật
chất : bức xạ vật đen.

Lượng tử hóa ánh sáng khi
phát xạ (1900, Planck)

Lượng tử hóa ánh sáng khi
hấp thụ (1905, Einstein).

Khởi đầu Cơ học lượng tử.
Particle Physics Ha Noi July 2005 10

C¸c t­¬ng t¸c
C¸c t­¬ng t¸c
C¸c hiÖn t­îng cña tù
nhiªn g¾n liÒn 4 lo¹i t­
¬ng t¸c :

t­¬ng t¸c ®iÖn tõ,

t­¬ng t¸c h¹t nh©n hay
t­¬ng t¸c m¹nh,

t­¬ng t¸c yÕu,

t­¬ng t¸c hÊp dÉn.
Particle Physics Ha Noi July 2005 11
Tương tác điện từ
Tương tác điện từ

Được hiểu rõ nhất :

Tầm tác dụng xa vô hạn

Cường độ đặc trưng bằng hằng số cấu trúc tinh tế

e
= 1/137 = e
2
/4
0
(h/2)c.

Được dùng làm mô hình cho các tương tác khác.

Nguồn gốc :

Điện tích -> điện trường.

Điện tích chuyển động -> từ trường.

Điện tích gia tốc -> điện từ trường.

Lý thuyết :

Hệ phương trình Maxwell !

Điện động lực học lượng tử QED.
Particle Physics Ha Noi July 2005 12
Tương tác mạnh (1)
Tương tác mạnh (1)

1932 : phát hiện neutron
(Chadwick).

Để n và p trong hạt nhân, lực hạt
nhân phải :

Thắng lực coulomb (-> mạnh !),

Có tầm ngắn,

Không phụ thuộc điện tích (hạt nhân gư
ơng) : tồn tại đối xứng (trong) giữa
proton và neutron !

Theo Heisenberg : đối với tương tác
mạnh, n và p là 2 trạng thái của cùng
một hạt -> khái niệm disospin.
0
0.48
4.63
6.68
7.46
MeV
MeV
0
0.43
4.57
6.73
7.21
5/2
3/2
3/2
1/2
1/2
7/2
7/2
5/2
5/2
5/2
JJ

Li
7
3
Be
7
4
P =
-
1 P =
-
1
Hạt nhân gương
Particle Physics Ha Noi July 2005 13
Tương tác mạnh (2)
Tương tác mạnh (2)

Phân rã hạt nhân :

Tương tác mạnh, tầm ngắn

Hạt nhân bền cân bằng giữa
tương tác mạnh (hút) và lực
tĩnh điện (đẩy).

Cực đại năng lượng liên kết
trung bình --> hạt bền vững nhất
: Fe
56
.

Phân rã : hạt nhân He
4
, bền
vững, xuyên qua rào thế bằng
hiệu ứng đường ngầm.
Energie de liaison par nuclộon
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
0 50 100 150 200
A
B(Z,A)
Particle Physics Ha Noi July 2005 14
Tương tác yếu (1)
Tương tác yếu (1)

Gây ra phân rã , làm giảm số nucleon dư thừa của
hạt nhân.

Hai loại phân rã


-
: n --> p + e
-

+
: p --> p + e
+

Phổ và gián đoạn, phổ liên tục :

Borh đề nghị từ bỏ định luật bảo toàn năng lượng.

Pauli (1930) đưa ra giả thuyết neutrino.
Particle Physics Ha Noi July 2005 15
Neutrino
Neutrino

Neutrino (giả thuyết) :

Khối lượng bằng không.

Spin : 1/2.

Điện tích bằng không.

Tương tác yếu với vật chất.

Thực nghiệm : tồn tại neutrino (1953).

Hai loại neutrino
e
và
à

(1964).

Thiếu hụt neutrino từ mặt trời :

Dao động neutrino (Pontercovo) --> neutrino có khối lượng.

Super Kamiokande, NOMAD, CHORUS ...

Thí nghiệm tầm xa : Minos, Grand Sasso.
Particle Physics Ha Noi July 2005 16
Thèng nhÊt t­¬ng t¸c
Thèng nhÊt t­¬ng t¸c
Particle Physics Ha Noi July 2005 17
Đối xứng
Đối xứng

Đối xứng trong thế giới vĩ mô (tinh thể, bông
tuyết, cánh bướm )

Trong vật lý hạt cơ bản, đối xứng liên quan đến hệ
động học đang được nghiên cứu.

Đối xứng là đối tượng nghiên cứu của một ngành
toán học, lý thuyết nhóm.

Sau đây chúng ta khảo sát các loại đối xứng khác
nhau.
Particle Physics Ha Noi July 2005 18
Đối xứng không gian và
Đối xứng không gian và

thời gian
thời gian

Quy luật vật lý được phát biểu trong hệ quy chiếu.

Tuy nhiên, các quy luật đó không phụ thuộc việc
chọn hệ quy chiếu, nghĩa là, không đổi khi chuyển
từ hệ quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác.

Định lý Noether : bất biến khi

tịnh tiến thời gian -> bảo toàn năng lượng E,

tịnh tiến không gian -> bảo toàn xung lượng P,

quay không gian -> bảo toàn moment động lượng L.
Particle Physics Ha Noi July 2005 19
Đối xứng rời rạc (1)
Đối xứng rời rạc (1)
Trong vật lý hạt cơ bản, ngoài đối xứng không-thời gian,
các đối xứng rời rạc cho chúng ta biết khả năng xảy ra
phản ứng :

Chẵn lẻ (nghịch đảo không gian) P (x,t) = (- x,t)

Liên hợp điện tích C (biến hạt thành phản hạt); trong trường hợp
C bảo toàn, hai phản ứng

e
-

+ p --> e
-
+ p

e
+
+ p --> e
+
+ p
giống hệt nhau.

Nghịch đảo thời gian T nhận được bằng cách cho thời gian trôi
theo chiều ngược lại, nghĩa là, nghịch đảo phản ứng; thí dụ, nếu
bất biến dưới biến đổi T, hai phản ứng


-
+ p --> + n

+ n -->
-
+ p
có cùng xác suất.
Particle Physics Ha Noi July 2005 20
Đối xứng rời rạc (2)
Đối xứng rời rạc (2)

Có thể thực hiện liên tiếp hai phép biến đổi rời
rạc, chẳng hạn, CP :

Thực hiện biến đổi P vào hệ hạt, rồi biến đổi C.

Thu được hệ phản hạt trong hệ quy chiếu nghịch
đảo.

Nếu Vật lý quyết định sự tiến triển của hai hệ hạt
và phản hạt bất biến dưới biến đổi CP, hai hệ sẽ
có đặc tính hoàn toàn giống nhau.

Người ta cho rằng quy luật Vật lý bất biến dưới
biến đổi CPT (Định lý CPT).
Particle Physics Ha Noi July 2005 21
Đối xứng trong
Đối xứng trong

Chúng ta thấy thí dụ về đối xứng trong khi bàn
về hạt nhân gương : tương tác mạnh giữa các
nucleon (proton hoặc neutron) không phụ thuộc
vào điện tích.

Tồn tại đối xứng giữa neutron-proton, đối xứng
trong của các nucleon.

Chúng ta sẽ thấy các hạt khác được đặc trưng
bằng các số lượng tử mới (lạ, duyên, đẹp, ) cho
phép phân loại hạt cơ bản theo đối xứng trong.
Particle Physics Ha Noi July 2005 22
Đối xứng động học
Đối xứng động học

Đối xứng không-thời gian
<-> bảo toàn xung lượng P,
năng lượng E và moment J.

Nhưng còn các định luật bảo
toàn khác, như định luật bảo
toàn điện tích.

Về mặt toán học, để bảo toàn
điện tích, Lagrangien phải
bất biến dưới phép biến đổi
phase của hàm sóng.

(x) mô tả hàm sóng.

Tương tác được mô tả
bởi Lagrangien L().

Nhóm biến đổi phase
của hàm sóng
G (x) = *(x)
G L() = L(*)

Bất biến L() = L(*).

Hạn chế dạng của
Lagrangien.
Particle Physics Ha Noi July 2005 23
Các hạt cơ bản
Các hạt cơ bản

Vật chất gồm 3 họ quark
và leptons ghép theo cặp.

Quark tham gia cả ba tư
ơng tác mạnh, điện từ và
yếu.

Lepton tích điện (e, à, )
tham gia tương tác điện từ
và tương tác yếu.

Neutrino chỉ tham gia tư
ơng tác yếu.
Điện tích quark : 2/3 và -1/3
Điện tích lepton : 0 và -1
Proton : (uud) neutron : (ddu)
u
d
Particle Physics Ha Noi July 2005 24
Quark
Quark

Điện tích : -1/3 hoặc 2/3.

Ba quark đầu tiên, năm 1963 :
u (up), d (down) và s(strange).

Quark c (charm), năm 1974
(cách mạng tháng 11).

Quark b (beauty hoặc bottom)
(1976 tại FermiLab).

Quark t (top hoặc truth),
FermiLab (tháng 2 năm 1995).
Particle Physics Ha Noi July 2005 25
Lepton
Lepton

Lepton kh«ng cã cÊu
tróc (h¹t ®iÓm).

Lepton tÝch ®iÖn :
electron e (1897), muon
µ (1937), tauon
τ (1975).

Lepton trung hßa hay
neutrino : ν
e
(1953), ν
µ

(1964), ν
τ
(2000).