Bài 40. Các hạt sơ cấp

Con Người “Biết Suy Nghĩ’ sẽ nghĩ về điều gì đầu tiên?
Thế giới vật chất được cấu tạo bằng gì?
Chúng tương tác với nhau như thế nào?
Hy Lạp cổ đại: Đất, Nước, Gió, Lửa.
Năm 1800 – Bảng Phân Loại Tuần Hoàn của Mendeleev
Năm 1897- Thomson tìm ra electron
Năm 1919 - Rutherford tìm ra proton
Năm 1932 - Chadwick tìm ra neutron
Khám phá hoàn toàn nguyên tử
Năm 1932 được xem là năm vật lý hạt sơ cấp ra đời
Sự mô tả thế giới vật chất bao xung quanh chúng ta hoàn toàn tùy thuộc vào câu hỏi ta đặt ra.
Một lý thuyết vật lý phù hợp để mô tả thế giới vật chất.
Nhưng một lý thuyết khác mô tả thế giới vật chất ở mức độ tinh tế hơn...
Và cứ thế…
Hạt Sơ Cấp
- Hạt vi mô hay vi hạt là những hạt có kích thước vào ~ hạt nhân trở xuống như: photon, electron, posistron, proton, neutron, neutrino.không xét đến cấu tạo bên trong của chúng được gọi là các hạt sơ cấp.
- Về năng lượng, ta có năng lượng liên kết trong hạt nhân nguyên tử ~ 8MeV, điều kiện để tiến hành nghiên cứu hạt sơ cấp năng lượng đòi hỏi phải vào ~ GeV tương ứng khoảng cách 10-14 cm, nên vật lý hạt cơ bản còn được gọi là vật lý năng lượng cao.
Hạt sơ cấp được nghiên cứu chủ yếu
- Các máy gia tốc
- Các tia vũ trụ
Tiến trình khám phá ra các hạt sơ cấp
Các đặc trưng chính của hạt sơ cấp:

Khối lượng nghỉ m0:
- Thường được diễn tả qua đơn vị năng lượng như MeV.c-2, hay GeV.c-2 (qua công thức E0= m0.c2 )
- Ví dụ: me = 0,511 MeV.c-2, mp = 938,3 MeV.c-2, mn = 939,6 MeV.c-2
- Có khối lượng nghỉ bằng 0 như photon, có khối lượng nghỉ xem như bằng 0 như các hạt neutrino ? hay hạt graviton.
Điện tích:
Hạt sơ cấp hoặc là không có điện tích, hoặc có điện tích là bội số nguyên của điện tích nguyên tố e = 1,6.10-19 C giữ vai trò như một lượng tử điện tích, gọi Q là lượng tử điện tích Q = 0, ?1, ?2,.
Spin:
- Ngoài các đặc trưng như khối lượng, điện tích, còn có moment spin đặc trưng cho chuyển động nội tại của hạt, được xem như moment động lượng riêng.
-Mỗi một hạt sơ cấp có moment spin xác định, kí hiệu s: ví dụ electron có s = � , photon có s = 1, hạt ? có s = 0.
Ngoài ra còn có moment từ riêng đặc trưng cho bản chất của hạt sơ cấp. Chính moment từ riêng này mà ta có thể xác định là các hạt sơ cấp còn có cấu trúc nội tại.
Thời gian sống trung bình:
- Một số ít các hạt sơ cấp là bền, thời gian sống là ~ ? , cụ thể là 4 hạt p, e, ?, ?. Một cách chính xác thì thời gian sống của ? là ?, của electron là > 4,3.1023 năm, với proton là 1031 -> 5.1032 năm.
Đa số đều không bền, chúng tự hủy và biến thành hạt nhân khác, ví dụ neutron thời gian sống là ~ 932s, sau đó phân rã: n -> p + e- + ?�e; n -> ?+ + ?-
- Những hạt cộng hưởng bị phân rã do tương tác mạnh với thời gian sống đặc trưng là 10-23 - > 10-24s.
- Các hạt còn lại có thời gian sống trung bình < 10-6s
Phản hạt:
- Mỗi hạt sơ cấp có một phản hạt tương ứng. Phản hạt có cùng khối lượng nghỉ, cùng độ lớn điện tích nhưng trái dấu. Hạt sơ cấp và phản hạt của nó tạo thành một cặp. Ví dụ như proton và phản proton có cùng khối lượng nghỉ và cùng spin bằng �, nhưng có điện tích là ngược nhau, kí hiệu là p, p�
Kí hiệu: Hạt X, Phản hạt X�
- Khi hạt sơ cấp không mang điện như neutron (điều kì lạ là neutron vẫn có moment từ ) thì phản neutron có cùng khối lượng, moment từ cùng độ lớn nhưng ngược hướng.
- Phản hạt của photon trùng với chính nó.
Tương tác giữa cặp hạt và phản hạt có thể xảy ra hiện tượng hủy cặp tạo thành photon, hoặc sinh ra một cặp hạt và phản hạt của nó từ những tương tác photon, ví dụ cặp electron và positron:
e+ + e- -> ? + ?
? + ? -> e+ + e-
Giải thích sự sinh và hủy cặp theo Dirac
1927 - Paul Dirac đã đề xuất hình thức luận rất độc đáo để giải thích về thế giới vật chất và phản vật chất.
Các phương trình Dirac đã tiên đoán được các mức năng lượng electron dương và âm, nhưng ta chỉ thấy được electron ở mức năng lượng dương.
"Biển" Dirac
Quan điểm của Dirac: mọi trạng thái năng lượng âm của electron đều đã lấp đầy. Bởi nguyên lí loại trừ Pauli, ta không thể quan sát các trạng thái năng lượng âm của electron
Vũ trụ chứa đầy một "biển" các năng lượng electron âm.
"Lổ" trong "biển" Dirac
Giả sử có một "lổ" hay một "bọt" trong biển Dirac năng lượng âm của electron
- mc2
lổ hành xử như hạt với:
* năng lượng dương
* điện tích dương (do vắng một điện tích âm trong biển năng lượng âm)
phản - electron = positron
e+
Phát hiện bởi Anderson năm 1932
Sự Sinh và Hủy Cặp
Sinh cặp
Đưa vào một hay nhiều photon (năng lượng tổng cộng ít nhất cũng bằng 2 mc2) và tạo thành một cặp electron và positron.
- mc2
e-
e+
- mc2
e-
e+
Hủy cặp
Electron and positron gặp nhau; electron "lấp đầy lổ trống" và giải phóng năng lượng (photons).
Hai photons đã được tạo ra (bảo toàn động lượng).
Sự Sinh và Hủy Cặp
- Các phản hạt cấu tạo nên thế giới phản vật chất.
- Vũ trụ ban đầu có sự tồn tại đối xứng của cả vật chất và phản vật chất, nhưng do phá vỡ đối xứng tự phát nên hiện nay ta chỉ thấy toàn là vật chất. ( Nobel 2008 Yoichiro Nambu Makoto, Kobayashi và Toshihide Maskawa)
Phá vỡ đối xứng tự phát
Phân loại hạt sơ cấp:
Cách 1:
Dựa vào khối lượng nghỉ và đặc tính tương tác, các hạt sơ cấp được phân thành các loại sau:
- Photon: có m0 = 0
- Các lepton: hạt nhẹ có khối lượng từ 0 -> 200me: như electron ( e), electron neutrino ( ?e ), muon (?? ), muon neutrino ( ?? ), tau ( ?? ), tau neutrino ( ?? ).
- Các hadron: khối lượng > 200me, phân thành ba nhóm con:
* Mezon : (200 -> 900me) nhưng nhỏ hơn khối lượng nucleon, gồm hai loại pion ?, kaon K.
* Nucleon p, n
* Hyperon: m > mnucleon
Nhóm nucleon và các hyperon còn được gọi là các baryon.
Cách 2:
Dựa vào spin ta có thể chia hạt thành hai loại:
- Femion có s = �; 3/2;5/2. nói chung là có spin bán nguyên. Như e-, ?-, ?, p, n,. có s = � .
- Boson có s = 0, 1, 2,. nói chung là nguyên như ?, ?.
Các fermion là các hạt chất cấu tạo nên thế giới vật chất.
Các boson là các hạt trường truyền tương tác.
Các hạt trường
particle
mc2 (GeV)
q
s
force
Leptons
e-
electron
0.511
-1
1/2

e+
particle
mc2 (MeV)
q
s
mean lifetime
anti-particle
Baryons
particle
mc2 (MeV)
q
s
mean lifetime
Mesons
particle
mc2 (MeV)
q
s
mean lifetime
anti-particle
Các kiểu hạt
All particles
(g, ...)
(e±, m±, n, ...)
(p±, p0, ...)
(p, n, ...)
Các kiểu hạt
All particles
(g, ...)
(e±, m±, n, ...)
(p±, p0, ...)
(p, n, ...)
Các hạt đã tạo ra lực tương tác như thế nào?
Quark:
Sự gia tăng mau lẹ các hạt sơ cấp tìm thấy trong các máy gia tốc đặc biệt là các hạt tương tác mạnh, làm cho người ta nghi ngờ tính cơ bản của các hạt sơ cấp, liệu chúng có thực sự cơ bản hay vẫn còn cấu trúc nội tại bên trong?
Từ đó xuất hiện mô hình quark.
Từ năm 1970, nhờ máy gia tốc, người ta tìm ra hàng trăm hạt hadron.
Các hadron được cấu tạo bởi các vi hạt có kích thước nhỏ hơn dưới 10-15 m được gọi là các quark.
M. Gell-Mann và G. Zweig đề ra giả thuyết về quark:
Mỗi hadron được cấu tạo bởi một số quark.
-Có 6 quark và 6 phản quark tương ứng.
-Các quark là các fermion và có điện tích phân số của điện tích nguyên tố.
Quarks
Hadrons (baryons, mesons) có cấu trúc hạt, giống như nguyên tử
more massive
Charge : +2/3
Spin : 1/2
Charge : -1/3
Spin : 1/2
Charge : 0
Spin : 1/2
Charge : -1
Spin : 1/2
Charge : 0
Spin : 1
Charge : 1
Spin : 1
Cấu tạo các hadron
Tất cả các hadron được cấu tạo bởi các quarks và phản quarks.
1 baryon = 3 quarks
proton
neutron
1 meson = 1 quark + 1 phản quark
pion (+)
kaon (K-)
Ở một kích thước nhỏ hơn, cấu tạo nguyên tử trở thành
Các quark tương tác với nhau như thế nào?
Các đặc trưng của quark
Trong thực tế không thể quan sát được quark ở trạng thái tự do..?
Người ta nói quark bị cầm tù ( confinement)
Tương tác giữa các quark có một đặc tính là khi các quark lại gần nhau thì tương tác giữa chúng lại rất yếu không đáng kể coi như quark ở trạng thái tự do, trái lại khi khoảng cách tăng lên tương tác giữa chúng sẽ trở nên cực mạnh, điều này giải thích ta không thể quan sát các quark ở trạng thái tự do. ( Nobel 2004 của D. J. Gross - H. D. Politzer - F. Wilczek ).
Thế năng tương tác Quark- quark
Thế năng tương tác giữa quark, ban đầu nhìn giống như là thế Coulomb
Khi đơn vị bằng 1 = bán kính proton.
khi r lớn hơn 1, thế năng (PE) tăng không giới hạn và quark không thể thoát ra khỏi.

Ta nói quark bị
cầm tù!
(CONFINEMENT!)
Thế năng tương tác Quark- quark
Ví dụ như khi neutron hấp thụ photon năng lượng cao quark tự do cũng không thể thoát ra ngoài do bị cầm tù. Nếu năng lượng đủ cao, một cặp phản quark-quark được tạo ra, và pion với proton là sản phẩm cuối cùng
Quark ở trạng thái tự do là không thể quan sát, nó chỉ tồn tại trong các hadron. Đấy là trạng thái cầm tù (confinement.)
Cầm tù quark
neutron
d -> u + W-
proton + W boson
W- -> e- + n
proton + electron + anti-neutrino
Dùng mô hình quark giải thích tương tác yếu của phân rã beta
Mô Hình Chuẩn
?
Thế giới vi mô có thể được mô tả qua những câu thơ tuyệt đẹp của William Blake
To see a world in a grain of sand
And a heaven in a wild flower,
Hold infinity in the palm of your hand
And eternity in an hour. .
Auguries of Innocence by William Blake (1757 - 1827 )

Nhìn vũ trụ trong một hạt cát
Và thiên đường trong một đóa hoa
Nắm cái vô hạn trong lòng bàn tay
Và vĩnh hằng trong một khắc giây
.
( Tạm dịch )


« What I am going to tell you about is what we teach our physics students in the third or fourth year of graduate school... It is my task to convince you not to turn away because you don`t understand it. You see my physics students don`t understand it... That is because I don`t understand it. Nobody does. »

Richard P. Feynman, The Strange Theory of Light and Matter
« The effort to understand the universe is one of the very few things that lifts human life a little above the level of farce, and gives it some of the grace of tragedy.  »

Steven Weinberg