Tài liệu Tiểu luận tìm hiểu hạt Entrino ppt

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 5 năm 2007



MỞ ĐẦU
Nơtrinô là hạt bí ẩn nhất trong số các hạt mà ta biết được trong vũ trụ chúng
cũng là những hạt ít được biết đến nhất. . Nó luôn cho ta nhiều bất ngờ. Các tiên
đoán về sự tồn tại của hạt bí ẩn này về phương diện lý thuyết đã được Wolfgang
Pauli công bố từ những năm 1930 nhưng mãi đến hơn 25 năm sau, năm 1956,
nhóm nghiên cứu của nhà bác học Clyde Cowan mới ghi nhận được sự tồn tại của
hạt này trong thực nghiệm.
Sau sự phát hiện ra hạt bí ẩn này, các nhà vật lý đã dành khá nhiều thời gian
để nghiên cứu các tính chất, đặc điểm cũng như các ứng dựng của hạt nơtrinô. Hạt
nơtrinô không chỉ được ứng dụng khi quan sát các quá trình phóng xạ mà còn là
một trong những tác nhân quan trọng giúp cho các nhà thiên văn vật lý quan sát
nhân mặt trời. Mặt Trời cũng bức xạ vô số nơtrinô, sinh ra trong các phản ứng

nhiệt hạch trong lòng của mình. Các nơtrinô này được sinh ra chỉ một lọai, nhưng
trong quá trình di chuyển đến Trái Đất, chúng lại biến qua hai loại kia một cách bí
ẩn.
Hơn nữa, việc thu nhận các bức xạ từ ngoài vũ trụ (trong đó có nơtrinô) là
một trong những nguồn nghiên cứu của các nhà bác học nhằm tìm hiểu lịch sử
hình thành vũ trụ cũng như khám phá thêm các bí ẩn về cuộc sống này.
Gần đây, một số nghiên cứu đã công bố một số khám phá mới về hạt nơtrinô. Cụ
thể là nơtrinô có khối lượng chứ không phải là không khối lượng nhưng đã được
tiên đoán. Các nơtrinô có khối lượng, nhưng hạt nơtrinô nặng nhất cũng chỉ bằng
một phần triệu khối lượng của hạt tích điện nhẹ nhất. Việc neutrino có khối lượng
nhỏ như vậy có thể là do chúng nhận được khối lượng từ một quy luật vật lý còn
chưa biết, có thể liên quan đến lực thống nhất. Việc khảo sát chi tiết các tính chất
hạt nơtrinô - khối lượng, cách thức chúng biến từ lọai này qua loại kia, và chúng
có phải là phản hạt của chính mình không, v.v… - sẽ cho ta biết nơtrinô có phải là
hạt vật chất thông thường không, hay lại là cái gì khác.
Như vậy, ngành vật lý có thêm một hướng mới cũng như có thêm một nhiệm
vụ mới, giải thích sự tồn tại khối lượng của hạt này trong các mô hình vũ trụ.
Ngoài ra, Các nhà khoa học cần suy tính tới việc các quá trình vật lý trước đây có
sự thay đổi hay không khi xuất hiện hạt nơtrinô có khối lượng?
Trong tiều luận này, việc nghiên cứu hạt nơtrinô chỉ nhằm mục đích có thêm
nhiều thông tin về hạt này. Do đó, tiểu luận bao gồm những nội dung chính sau
đây:
- Lịch sử khám phá ra hạt nơtrinô
- Các đặc tính của hạt nơtrinô
- Các nguồn phát nơtrinô chủ yếu
- Việc thu nhận hạt nơtrinô trong các phòng thí nghiệm trên thề giới

I. Lịch sử khám phá ra hạt nơtrinô
1. Giai đoạn trước nơtrinô
Lịch sử khám phá ra hạt nơtrinô gắn liền với quá trình phóng xạ vì vậy

trước hết cần điểm qua vài móc lịch sử trước khi con người tìm ra nơtrinô.
Năm 1896 Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ từ các muối
Urani, sau đó vợ chồng nhà bác học Pierre và Marie Curie đã tách được
Radi nguyên chất, một nguyên tố phóng xạ mạnh hơn Urani. Năm 1899
Rutherford đã chỉ ra có hai loại phóng xạ là alpha và beta, đến năm 1900
Villard đã tìm ra loại thứ ba gọi là phóng xạ gamma. Năm 1902, vợ chồng
Pierre và Marie Curie đã xác nhận chum phóng xạ beta thực chất là chùm
electron, liên tiếp bản chất các chùm phóng xạ alpha cũng được xác nhận là
các hạt nhân của He, và phóng xạ gamma là những photon mang năng
lượng lớn (vài MeV).
Chùm phóng xạ beta (là các electron) được tiên đoán chỉ là chùm
electron được giải phóng đáng lý phải có giá trị năng lượng phù hợp với
định luật bảo toàn. Tuy nhiên, sau khi nghiên cứu kĩ lưỡng, nhóm khoa học
Lise Meitner, Otto Hahn, Wilson and von Baeyer, James Chadwick đã chỉ
ra rằng năng lượng của các electron nằm trong miền liên tục. Việc tiếp tục
tin vào định luật bảo toàn năng lượng hay không là một vấn đề được bàn
cãi thời bấy giờ. Nhà bác học Niels Bohr vẫn tin vào định luật tổng quát
này nhưng phải đợ đến năm 1930, Wolfgang Pauli mới đưa ra lời giải cho
bài toán này.
2. Giai đoạn 1930 – 1940: khai sinh ra nơtrinô
Hiện tại, chúng ta được biết hạt nơtrinô đã từng có 15 tỉ năm về trước,
sau khi vũ trụ ra đời. Từ lúc đó, vũ trụ lien tục giãn nở, lạnh đi và các nơtrinô
bắn theo mọi hướng. Về phương diện lý thuyết, các nơtrinô này hiện nay rất
nhiều và chúng tham gia cấu thành bức xạ nền vũ trụ (nhiệt độ khoảng 1.9K).
Ngoài ra các hạt nơtrinô khác cũng được sinh ra trong các ngôi sao hay trong
các vụ nỗ.
Tuy nhiên, ý tưởng về nơrinô chỉ xuất hiện vào năm 1930, khi Pauli
đang ra sức bảo vệ định luật bảo toàn năng lượng. Ngày 4 tháng 12 năm
1930, tại hội thảo ở Tubingen, Pauli đã đọc tham luận của mình trong đó có
nêu ra ý tưởng về hạt mới. Năm 1932,

J. Chadwick phát hiện ra hạt nơtron,
tuy nhiên nơtron nặng và khong phù hợp với các tiên đoán của Pauli. Năm
1933, tại hội nghỉ ở Bruxelles, Pauli mô tả hạt này như sau:
“Khối lượng của chúng nhẹ hơn nhiều rất lần khối lượng electron. Để
phân biệt với hạt nơtron, ông Fermi đã đề nghị gọi là nơtrino (neutrinos).
Khối lượng của chúng cò thề bằng không, tôi chắc rằng spin bằng 1/2. Chúng
ta không biết gì về tương tác của chúng với những hạt vật chất khác và với
photon. Giả thiết chúng có thể có momen từ.”
Năm 1933, F.Perrin chỉ ra rằng khối lượng của nơtrinô phải nhỏ rất nhiều
khôi lưởng của electron. Trong năm đó, Anderson khám phá ra hạt positron,
phản hạt đầu tiên của vật chất đã được Dirac tiên đoán lý thuyết. Khám phá
này càng làm cho lý thuyết về nơtrinô của Pauli và Fermi thêm đảm bảo.
Cuối năm 1933,
Frederic Joliot-Curie phát hiện ra phóng xạ beta cộng (phát
ra positron), trong khi đó Enrico Fermi đã dùng già thiết về nơtrinô để xây
dựng lý thuyết về hiện tượng phân rã bêta (trong tương tác yếu). Cuộc truy
tìm hạt nơtrinô bắt đầu nhưng mọi người vẫn chưa thật sự quyết tâm đến khi
Hans Bethe và Rudolf Peierls chỉ ra tiết diện tán xạ của nơtrinô với vật chất
rất nhỏ: nhỏ hơn một tỉ lần so với tương tác của electron. Vì vậy, hạt nơtrnô
tương tác quá yếu nên nó có thể đi xuyên qua trái đất mà không bị lệch
hướng.
3. Giai đoạn 1935 – 1956
Đến cuối những năm 40, các nhà vật lý đã nổ lực để quan sát sự tán
xạ ngược của nuclon trong suốt quá trình phân rả beta của nó. Tất cả các
đại lượng đo đượng đều phù hợp với giả thiết chỉ một loại nơtrinô được
phát ra từ electron. Tuy nhiên, không một phương quan sát nào có thể ghi
nhận được do xác suất tương tác quá nhỏ. Các nhà bác học cần một nguồn
rất lớn các hạt nơtrinô và các thiết bị thăm dò cũng rất lớn, rất nhạy. Năm
1939,
Luis Alvarez cho thấy Triti (đồng vị hydro) có tính phóng xạ, và đến

bây giờ nguồn phóng xạ beta từ Triti vẫn được sử dụng và cho giá trị khối
lượng nơtrinô tốt nhất.
Năm 1945, quả bom nguyên tử đầu tiên phát nổ và các nhà bác học
đã nhận ra một nguồn năng lượng đáng kể từ nơtrinô.
Frederick Reines,
đang làm việc tại Los Alamos, trao đổi với Fermi về dự án đặt máy dò
nơtrinô gần khu vực bom nổ. Năm 1952, Reines gặp Clyde Cowan và đã
đồng ý sử dụng một nguồn nơtrinô an toàn hơn, dự án hạt nhân của
Hanford, Washington. Các máy thăm dò lặp tức được xây dựng và cho kết
quả vào mùa hè năm 1953. Tuy nhiên, tín hiệu cho ra không thuyết phục.
Họ đã cố gắng thực hiện lại các thí nghiệm cho đến năm 1956 gần sông
Savannah, Bắc Carolina. Các cải tiến lần này nhằm giảm tín hiệu nền và đã
cho kết quả mĩ mãn. Các tín hiệu có thể thấy rõ qua máy dò trên nền bức xạ
vũ trụ.




Máy detecctor trong thí nghiệm năm 1953

4. Giai đoạn 1957 – 1962
Các nơtrinô được phóng ra trong các phản ứng hạt nhận chỉ là một loại
nơtrinô, gọi là nơtrinô electron, vì chúng thường đi kèm với electron trong
phân rã bêta. Có hay không các loại nơtrinô khác?
Năm 1959, tại trường đại học Columbia, New York, đã bắt đầu xuất hiện
các í tưởng về các loại nơtrinô khác.
T.D. Lee và M. Schwartz nhận thấy
khả năng sinh ra chùm nơtrinô từ phân rã của pion.
T.D. Lee và C.N.
Yang

đã tính toán tiết diện tán xạ và đã có được máy thăm dò lý tưởng cho
các thí nghiệm và kiểm chứng số lượng tử duyên do J. Cronin đề xướng.

Năm 1960, Lee và Yang đã chứng minh rằng phản ứng loại
e
μ γ
−−
→+

không xảy ra vì có hai loại nơtrinô tồn tại. Cùng thời điểm đó, máy gia tốc của
Brookhaven thu nhận được hàng trăm ngàn nơtrinô trên giờ nhưng chỉ khoảng 40