BDGV

1
VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN
VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN
Giáo viên giảng dạy: Nguyễn Thị Thuý Hằng
Bộ môn Vật lý – Khoa Sư Phạm - Đại học Cần Thơ
Email:
Điện thoại: 0958551892
Bộ môn Vật lý: 07103.831530 -8226
2
NỘI DUNG
1.
1.
Lịch sử hạt cơ bản
Lịch sử hạt cơ bản
2.
2.
Phân loại hạt cơ bản
Phân loại hạt cơ bản
3.
3.
Các đặc trưng của hạt cơ bản
Các đặc trưng của hạt cơ bản
4.
4.
Mẫu Quark
Mẫu Quark
5.
5.
Tương tác của các hạt cơ bản
Tương tác của các hạt cơ bản
6.

6.
Máy gia tốc và phương pháp ghi nhận các hạt cơ bản
Máy gia tốc và phương pháp ghi nhận các hạt cơ bản
3
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.
4
5
•
Hạt cơ bản?
–
Hạt nhỏ nhất không thể phân
chia được (tính chất lịch sử).
VD: p, n, e
+
, e
-
, neutrino...
-
Kích thước:
(dưới kích thước hạt nhân).
•
Vật lý hạt cơ bản?

(Vật lý năng lượng cao)
–
Nghiên cứu các đặc trưng
của các hạt cơ bản và tương
tác giữa chúng.
cm
13
10
−
<
Đối tượng,
phạm vi nghiên cứu môn học
6
Đối tượng,
phạm vi nghiên cứu môn học
•
Phương pháp?
–
Mỗi loại hạt tương ứng với một trường được
mô tả bằng hàm sóng toán tử và các tương tác
được xem như các quá trình sinh huỷ hạt.

•
Nghiên cứu hạt cơ bản hiện nay?
–
Lí thuyết thống nhất các tương tác
7
1. Lịch sử hạt cơ bản
Hạt cơ bản đầu tiên
Hạt cơ bản đầu tiên

:
:
e
e
-
-
(Thomson, 1897): sau khi nghiên cứu kĩ tính chất của tia âm
(Thomson, 1897): sau khi nghiên cứu kĩ tính chất của tia âm
cực.
cực.
1900 Planck khi nghiên cứu hiện tượng bức xạ của vật đen tuyệt đối đã đưa ra khái niệm
1900 Planck khi nghiên cứu hiện tượng bức xạ của vật đen tuyệt đối đã đưa ra khái niệm
lượng tử ánh sáng (photon
lượng tử ánh sáng (photon
γ
γ
)
)
.
.
Einstein đã vận dụng khái niệm này và giải thích thành công
Einstein đã vận dụng khái niệm này và giải thích thành công
hiệu ứng quang điện.
hiệu ứng quang điện.
Năm 1911 Rutherford
Năm 1911 Rutherford
:
:
hạt nhân nguyên tử
hạt nhân nguyên tử

,
,
tìm thấy proton p
tìm thấy proton p
.
.


Chadwick
Chadwick
:
:
hạt neutron n tìm thấy trong thực nghiệm tương tác của hạt
hạt neutron n tìm thấy trong thực nghiệm tương tác của hạt
α
α
với nguyên
với nguyên
tố Be vào năm 1932.
tố Be vào năm 1932.


Năm 1930 để giả thích sự hao hụt năng lượng trong hiện tượng phân rã
Năm 1930 để giả thích sự hao hụt năng lượng trong hiện tượng phân rã
β
β
Pauli đã giả
Pauli đã giả
thiết sự tồn tại của hạt neutrino
thiết sự tồn tại của hạt neutrino

ν
ν
, hạt này mãi đến năm 1953 mới thực sự được tìm thấy
, hạt này mãi đến năm 1953 mới thực sự được tìm thấy
(Reines, Cowan).
(Reines, Cowan).
Những năm 30 - đầu 50: nghiên cứu tia vũ trụ.
Những năm 30 - đầu 50: nghiên cứu tia vũ trụ.
Năm 1932, Anderson đã phát hiện ra hạt positron e
Năm 1932, Anderson đã phát hiện ra hạt positron e
+
+
.
.


Năm 1936 Anderson và Neddermeyer
Năm 1936 Anderson và Neddermeyer
:
:
µ
µ
±
±
(m
(m
=
=
200
200

m
m
e
e
, nhưng lại rất giống e
, nhưng lại rất giống e
-
-
, e
, e
+
+
về các
về các
tính chất khác
tính chất khác
)
)
.
.
Năm 1947
Năm 1947
nhóm
nhóm
Powell
Powell
:
:
meson
meson

π
π
±
±
(m=
(m=
274
274
m
m
e
e
)
)


Cuối những năm 40 - 50: giai đoạn phát hiện ra các hạt lạ
Cuối những năm 40 - 50: giai đoạn phát hiện ra các hạt lạ
hạt đầu tiên (meson K
hạt đầu tiên (meson K
±
±
, hạt
, hạt
λ
λ
) được tìm thấy trong tia vũ trụ
) được tìm thấy trong tia vũ trụ
những hạt tiếp theo được tìm trong các máy gia tốc
những hạt tiếp theo được tìm trong các máy gia tốc

Từ những năm 50 trở đi các máy gia tốc là công cụ chính để nghiên cứu hạt cơ bản.
Từ những năm 50 trở đi các máy gia tốc là công cụ chính để nghiên cứu hạt cơ bản.
khám phá
khám phá
thêm
thêm
các phản hạt nặng: phản proton (năm 1955), phản neutron (năm 1956),
các phản hạt nặng: phản proton (năm 1955), phản neutron (năm 1956),
phản sigma (năm 1960
phản sigma (năm 1960
...
...
.
.
8
1. Lịch sử hạt cơ bản


Năm 1964
Năm 1964
:
:
hạt hyperon nặng nhất: hạt omega
hạt hyperon nặng nhất: hạt omega
Ω
Ω
-
-
, với khối lượng gần gấp đôi khối
, với khối lượng gần gấp đôi khối

lượng hạt proton.
lượng hạt proton.
Trong những năm 60
Trong những năm 60
:
:
các hạt cộng hưởng
các hạt cộng hưởng


Vào năm 1962
Vào năm 1962
:
:


ν
ν
e
e
,
,
ν
ν
µ
µ
.
.
Năm 1974: tìm hạt J/psi, có khối lượng khoảng 3-4 lần khối lượng proton Đề xuất hạt
Năm 1974: tìm hạt J/psi, có khối lượng khoảng 3-4 lần khối lượng proton Đề xuất hạt

duyên c (charm).
duyên c (charm).


Năm 1977
Năm 1977
:
:
hạt upsilon Y
hạt upsilon Y
, đề xuất quark b (bottom hay beauty).
, đề xuất quark b (bottom hay beauty).
năm 1975:hạt
năm 1975:hạt
τ
τ
. Sau đó ít lâu, tìm thấy hạt
. Sau đó ít lâu, tìm thấy hạt
ν
ν
τ
τ
.
.
1983 tại CERN: các hạt boson vector trung gian W
1983 tại CERN: các hạt boson vector trung gian W
±
±
, Z.
, Z.

9
2. Phân loại hạt cơ bản
10
- Hạt vật chất:
Dựa vào độ lớn khối lượng và đặc tính
tương tác:
•
Photon:
Photon:
lượng tử ánh sáng
lượng tử ánh sáng
•
Lepton:
Lepton:
+ Nhẹ, 0 < m < 200 m
e

+ Không tham gia tương tác mạnh
+ Lepton mang điện:
và Lepton trung tính: neutrino
•
Hadron:
Hadron:
+ tham gia tương tác mạnh
+ Khối lượng trên 200 m
e
+
Meson: 200 m
e
< m < khối lượng nuclon

và Barion (
nuclon và Hyperon
nuclon và Hyperon)
),,(
±±±
τµ
e
µνµµµ
gAZG ,,,W,
0
±
* Phân loại theo tương tác
- Hạt trường:
11
–
Hạt boson: spin nguyên
–
Hạt fermion: spin bán nguyên
* Phân loại theo spin
Hạt truyền tương tác là các boson.
Hạt truyền tương tác là các boson.
12
BẢNG PHÂN LOẠI HẠT CƠ BẢN
BẢNG PHÂN LOẠI HẠT CƠ BẢN
13
14
1.
1.
Phương trình Schrodinger
Phương trình Schrodinger

:
:
Trạng thái của hạt được biểu diễn bằng hàm sóng.
Trạng thái của hạt được biểu diễn bằng hàm sóng.
*
*
Sóng vật chất
Sóng vật chất
: Tất cả các hạt vi mô đều có lưỡng tính sóng hạt.
: Tất cả các hạt vi mô đều có lưỡng tính sóng hạt.
Bước sóng:
Bước sóng:
Hạt vĩ mô: h nhỏ, m quá lớn nên bước sóng quá nhỏ, không phát
Hạt vĩ mô: h nhỏ, m quá lớn nên bước sóng quá nhỏ, không phát
hiện.
hiện.
Sóng gi? Sóng xác suất.
Sóng gi? Sóng xác suất.
•
Nguyên lí bất định:
Nguyên lí bất định:
Các định luật Vật lý áp dụng
Eψ)ψV
ˆ
2m
(
2
2
=+∇−


mc
h
=
λ
2
Δx.Δp
x

≥
Bất định toạ độ - xung lượng
2
ΔE.Δt

≥
Bất định năng lượng - thời gian
15
Thời gian xảy ra biến cố trong hệ quy chiếu K :
∆t
0
trong hệ K’chuyển động với vận tốc v so với hệ K.
2
2
0
c
v
1
Δt
Δt
−
=

2. Các định luật bảo toàn: năng lượng, xung lượng, B, Q, L, S ,…
3. Cơ học tương đối tính
Vận tốc ánh sáng trong chân không có cùng một giá trị c theo mọi
phương và theo mọi hệ quy chiếu quán tính.
2
2
0
c
v
-1
v
mmvp ==
Động lượng
)1
1
1
(mT
2
2
2
0
−=
c
v
-
c
Động năng
42
0
222

cmcpE
+=
Năng lượng
Các định luật Vật lý áp dụng
16
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
3.1 Khối lượng
-
Mỗi hạt đều có khối lượng nghỉ m
0
xác định.
-
Ngoại trừ hạt photon: m=0
-
Hạt neutrino: m=0
-
Đơn vị (MeV/c
2
, GeV/c
2
).
-
Tuỳ theo khối lượng mà người ta chia làm 3 loại hạt cơ bản:
-
Hạt nhẹ
Hạt nhẹ (lepton), ví dụ: m
e
= 0,511MeV/c
2
-

Hạt nặng
Hạt nặng (barion), ví dụ: m
p
= 938,3 MeV/c
2
, m
n
= 939,6MeV/c
2
-
Hạt trung gian
Hạt trung gian (meson), ví dụ: =139,6MeV/c
2
, = 135MeV/c
2
- Khối lượng có vẻ phụ thuộc vào điện tích, tuy nhiên, quy luật của sự phụ
thuộc này không rõ ràng.
17
3.2 Điện tích:
- Điện tích hạt: Q= 0, ±1, ± 2. (đơn vị là điện tích nguyên tố e )
- 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. Các đặc trưng của hạt cơ bản
18
3.3 Thời gian sống:


-
-
Hạt bền

Hạt bền: thời gian sống thực tế là vĩnh viễn do các hạt không tự phân rã
hay phân rã rất chậm.
Ví dụ: photon có τ=∞, proton với τ ≈ 10
30
s, electron có τ ≈ 10
22
s …
-
-
Hạt gần bền
Hạt gần bền: bị phân rã do tương tác điện từ và tương tác yếu với thời
gian sống τ >10
-20
s (đối với neutron tự do τ = 932s (thời gian sống trung
bình)
-
Hạt không bền (hạt cộng hưởng)
Hạt không bền (hạt cộng hưởng)
:
: bị phân rã do tương tác mạnh với thời
gian đặc trưng là τ <10
-20
s . Ví dụ: các hạt π
0
, η
0
là các hạt cộng hưởng
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
19
Đa số là hạt không bền (cộng hưởng): khoảng vài trăm hạt.

Một ít bền như p, e, pozitron, neutrino, gamma.
20
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
3.4 Đối hạt (phản hạt)
Đối hạt: cùng khối lượng, spin nhưng điện tích Q, số lepton L, số Barion
B ngược dấu.
Hạt không mang điện: đối hạt có cùng khối lượng nhưng có momen từ
ngược hướng và cùng độ lớn.
VD: neutron. Thực nghiệm chứng tỏ nơtron vẫn có momen từ khác
không;
* Người ta ký hiệu: Hạt X; đối hạt X
-
VD: Hạt: p n e
-
e
+
π
+
π
0
γ
Đối hạt e
+
e
-
π
-
π
0
γ

Hạt và phản hạt chỉ là quy ước, căn cứ
Hạt và phản hạt chỉ là quy ước, căn cứ
thế giới vật chất quanh ta cấu
thế giới vật chất quanh ta cấu
tạo chủ yếu từ “hạt”.
tạo chủ yếu từ “hạt”.
21
SINH VÀ HUỶ HẠT
SINH VÀ HUỶ HẠT
Hiện tượng
Hiện tượng
sinh
sinh
và
và
huỷ
huỷ
hạt: chỉ có trong thế giới các hạt cơ
hạt: chỉ có trong thế giới các hạt cơ
bản.
bản.
Đa số không có trong vật chất thông thường.
Đa số không có trong vật chất thông thường.
Phần lớn sinh ra do va chạm.
Phần lớn sinh ra do va chạm.
Bản chất:
Bản chất:
cho 2 hạt ban đầu
cho 2 hạt ban đầu

va chạm
va chạm
vào nhau, chúng sẽ
vào nhau, chúng sẽ
huỷ
huỷ
nhau và
nhau và
sinh
sinh
ra 2 hay nhiều hạt mới.
ra 2 hay nhiều hạt mới.
22
Sự huỷ hạt
23
3.5 Spin
Momen spin (hay thông số spin hoặc số lượng tử spin): đặc trưng cho
chuyển động nội tại của vi hạt đó.
Momen spin được biểu diễn bằng một vectơ S có độ lớn cho bởi:
s gọi là số lượng tử spin.
Hình chiếu trên một trục z bất kì cho bởi:
m
s
là số lượng tử hình chiếu spin:
1 giá trị s có (2s+1) trị số của m
s
;
s có thể là nguyên hay bán nguyên.
Ví dụ: với hạt electron thì s = ½; hạt photon có s=1; hạt p có s= 1/2.
Lepton, barion: spin bán nguyên. meson: spin nguyên.

3. Các đặc trưng của hạt cơ bản


)1(
+=
ssS

zz
mS
=
.,1,...,0,...,1, ssssm
s
−+−−=
24
- Fermion : spin bán nguyên (e, n, p…).
chúng tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli (không có nhiều hơn
1 hạt ở cùng trạng thái)
Tuân theo thống kê Fermi-Dirac.
- Boson: Các hạt có spin nguyên (photon, meson,…). Không
hạn chế số lượng hạt ở cùng trạng thái.
Tuân theo thống kê Bose-Einstein.
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 hạt thông
thường – chúng truyền tương tác.
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
25
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
3.6 Barion tích
Trong quá trình biến đổi, khi mất đi một Barion thì có một Barion mới

xuất hiện.
Để mô tả quá trình có barion tham gia, người ta đưa một số lượng tử
mới là số Barion B.
B =1 đối với các hạt trong nhóm barion
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
00
0
0
Λ+→+
+→Λ
+Σ+→+
−
−
+
Kp
p
Kppp
π
π