Bài giảng Vật lý 2: Vật lý hạt cơ bản - Lê Quang Nguyên

Nội dung
1. Các hạt dưới nguyên tử
a.
b.
c.
d.

Vật lý hạt cơ bản
Lê Quang Nguyên
www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen


2.
3.
4.
5.

Máy gia tốc và máy dò hạt
Các hạt cơ bản
Hạt cơ bản và lịch sử vũ trụ
Câu hỏi trắc nghiệm

1a. Mở đầu
• Cho đến nay chúng ta đã biết các hạt:
–
–
–
–
–
–

Photon γ
Electron e–
Proton p
Neutron n
π meson: π0, π+, π– trong tương tác hạt nhân
Electron-neutrino νe trong phân rã β+

• Chúng ta cũng đã biết các phản hạt:
– Positron e+
– Phản electron-neutrino ν e trong phân rã β–

CuuDuongThanCong.com

Mở đầu
Các hadrons: baryons và mesons
Các leptons
Phản hạt

1a. Mở đầu (tt)
• Cho đến nay các nhà khoa học đã
tìm được trên 100 hạt dưới
nguyên tử. Subatomic particles
• Mỗi hạt lại có phản hạt tương ứng.
• Chúng ta cũng đã biết bốn loại
tương tác, theo cường độ giảm
dần:
–
–
–
–

Tương tác mạnh (hạt nhân)
Tương tác điện từ
Tương tác yếu (phân rã β)
Tương tác hấp dẫn

/>
Trong một số
trường hợp,
phản hạt trùng
với hạt.


1b. Các hadrons: baryons và mesons
• Hadrons là những hạt thể hiện
tương tác mạnh.
• Chúng cũng có thể có các loại
tương tác khác.
• Hadrons được chia làm hai loại:
– Baryons
– Mesons
• Các hadrons có thể mang điện
dương, âm hay trung hòa.

Tiếng Hy Lạp
Hadron: mạnh
Baryon: nặng
Meson: trung
bình

1b. Các baryons
• Baryons là fermions. Fermions: các hạt có spin
bán nguyên
– n, p Nucleons
– Λ, Σ, Ω, Δ, Ξ ...
Hyperons

• Số baryon B: là một số lượng tử gán cho mỗi
baryon.
– Các baryons có B = +1
– Phản hạt của chúng có B = –1

• Trong một phản ứng số baryon được bảo toàn.
n → p + e − +ν e
Baryon phải xuất hiện
từng cặp trong một phản
ứng

B: 1 = 1 + 0 + 0

1c. Các leptons

1b. Các mesons
• Mesons là bosons.
– π, K, η, J/ψ, ρ,Υ ...

Bosons: các hạt có spin
nguyên

• Mesons và các phản mesons đều có B = 0.

p → n+π +
B: 1 = 1 + 0

Meson có thể xuất hiện
riêng lẻ trong một phản
ứng

• Leptons là các fermions, có spin ½, rất nhẹ.
• Không thể hiện tương tác mạnh.
• Đặc trưng bởi số lepton L = 1, phản hạt có L = –1.
Thế
hệ
1

2

3

CuuDuongThanCong.com

Lepton

Điện
Số
tích(e) lepton

Electron neutrino νe

0

Electron e–

–1

Muon neutrino νμ

0

Muon μ–

–1

Tau neutrino ντ

0

Tau τ–

–1

/>
Le = 1
Lμ = 1
Lτ = 1


1c. Các leptons (tt)

1d. Phản hạt

• Số lepton của từng thế hệ bảo toàn trong một
phản ứng.

• P. Dirac (1927) tiên đoán sự tồn tại của phản
hạt khi mở rộng Cơ học lượng tử cho các hạt
tương đối tính.
• C. D. Anderson (1932) phát hiện phản hạt đầu
tiên (positron) trong các tia vũ trụ.
• Phản hạt có điện tích, số baryon, số lepton trái
dấu, hay cũng có thể trùng với chính hạt.
• Hiện tượng sinh và hủy cặp:

µ − → e − +ν e +ν µ
Le: 0 = 1 – 1 + 0

Các lepton của mỗi thế
hệ phải xuất hiện từng
cặp

Lμ : 1 = 0 + 0 + 1

γ → e− + e+
e − + e + → 2γ

Photon phân rã thành cặp
hạt - phản hạt
Cặp hạt - phản hạt biến
mất, tạo ra 2 photon

2a. Máy gia tốc hạt

2b. Máy dò hạt

• Các nhà khoa học tìm ra các hạt mới bằng cách:

• Các nhà khoa học dùng từ trường để xác định
dấu của điện tích và động lượng của các hạt.
• Máy dò muon CMS ở Fermilab.

– Tìm kiếm trong các tia vũ trụ.
– Cho các hạt năng lượng cao đến va chạm nhau
trong các máy gia tốc hạt, tạo ra các hạt mới.

• Trong máy gia tốc, các hạt được gia tốc bằng
điện từ trường.
• Máy gia tốc ở CERN, nơi phát hiện các bosons
W và Z.
• Mô phỏng hoạt động máy LHC ở CERN.

CuuDuongThanCong.com

/>

3a. Các hạt cơ bản

3b. 12 hạt cơ bản

• Thực nghiệm đã xác nhận thuyết “Mô hình
chuẩn”, theo đó tất cả được cấu tạo từ 12 hạt
cơ bản và các phản hạt của chúng.

• Các hạt cơ bản này có spin ½, gồm hai nhóm:
– Nhóm leptons
– Nhóm quarks

• Chúng tương tác thông qua các bosons truyền:
– tương tác điện từ: photon γ
– tương tác yếu: bosons W–, W+, Z0
– truyền tương tác mạnh: gluons g

3d. Các boson truyền tương tác

3e. Cấu tạo của các hadrons
• Các baryons được cấu tạo từ ba hạt quarks.
• Các phản baryons thì gồm ba phản quarks.
• Các mesons được cấu tạo từ một quark và một
phản quark.
• Minh họa.

CuuDuongThanCong.com

/>

Câu hỏi 1

Trả lời câu hỏi 1

Hạt nào sau đây xuất hiện trong phân rã beta để
năng lượng và động lượng được bảo toàn?

• Đó chính là hạt electron neutrino νe, xuất hiện

cùng positron,

p → n + e + +ν e

(a) alpha.
(b) neutrino.
(c) lepton.
(d) proton.

• hay phản hạt của nó ν e
electron.

, xuất hiện cùng

n → p + e − +ν e
• Câu trả lời đúng là (b).

Câu hỏi 2
Nhóm hạt nào sau đây không thể hiện tương tác
mạnh?

Trả lời câu hỏi 2
• Các leptons không thể hiện tương tác mạnh.
• Câu trả lời đúng là (c).

(a) Baryons.
(b) Mesons.
(c) Leptons.
(d) Hadrons.

CuuDuongThanCong.com

/>

Câu hỏi 3
Hạt nào sau đây thuộc nhóm hadrons?
(a) Electron.
(b) Proton.
(c) Muon.
(d) Tau.

Trả lời câu hỏi 3
• Proton là một baryon thuộc nhóm hadrons.
• Các hạt còn lại đều là leptons.
• Câu trả lời đúng là (b).

Câu 4

Trả lời câu 4

Hạt nào sau đây được cấu tạo từ một quark và
một phản quark?

• Pion là một meson, do một quark và một phản
quark tạo nên.
• Câu trả lời đúng là (c).

(a) Electron.
(b) Proton.
(c) π meson (pion).

(d) Neutron.

CuuDuongThanCong.com

/>

Câu 5

Trả lời câu 5

Hạt Ξ– là một baryon có spin s = ½ và điện tích q
= –1. Hạt này chứa hai quark lạ và nó là tổ hợp
của ba quark. Đó là tổ hợp nào sau đây?

• Biết rằng điện tích của quark u là 2/3, quark d
và s là –1/3, điện tích của các tổ hợp trên là:

(a) (ssd).
(b) (sdu).
(c) (usd).
(d) (ssu).

Tổ hợp

Điện tích

(a) ssd

–1/3 – 1/3 – 1/3 = –1

(b) sdu

–1/3 – 1/3 + 2/3 = 0

(c) usd

2/3 – 1/3 – 1/3 = 0

(d) ssu

–1/3 – 1/3 + 2/3 = 0

• Câu trả lời đúng là (a). Minh họa

CuuDuongThanCong.com

/>