BDGV

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: [email protected]
Điện thoại: 0958551892
Bộ môn Vật lý: 07103.831530 -8226
NỘI DUNG
Lịch sử hạt cơ bản
Phân loại hạt cơ bản
Các đặc trưng của hạt cơ bản
Mẫu Quark
Tương tác của các hạt cơ bản
Máy gia tốc và phương pháp ghi nhận các hạt cơ bản
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.
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.

Đối tượng,
phạm vi nghiên cứu môn học
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
1. Lịch sử hạt cơ bản
Hạt cơ bản đầu tiên: e- (Thomson, 1897): sau khi nghiên cứu kĩ tính chất của tia âm cực.
1900 Planck khi nghiên cứu hiện tượng bức xạ của vật đen tuyệt đối đã đưa ra khái niệm lượng tử ánh sáng (photon ). Einstein đã vận dụng khái niệm này và giải thích thành công hiệu ứng quang điện.

Năm 1911 Rutherford: hạt nhân nguyên tử, tìm thấy proton p.

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

Năm 1930 để giả thích sự hao hụt năng lượng trong hiện tượng phân rã  Pauli đã giả thiết sự tồn tại của hạt neutrino , hạt này mãi đến năm 1953 mới thực sự được tìm thấy (Reines, Cowan).

Những năm 30 - đầu 50: nghiên cứu tia vũ trụ.
Năm 1932, Anderson đã phát hiện ra hạt positron e+.

Năm 1936 Anderson và Neddermeyer:  (m= 200 me, nhưng lại rất giống e-, e+ về các tính chất khác).

Năm 1947 nhóm Powell: meson  (m= 274 me)

Cuối những năm 40 - 50: giai đoạn phát hiện ra các hạt lạ
hạt đầu tiên (meson K, hạt ) được tìm thấy trong tia vũ trụ
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.
khám phá thêm các phản hạt nặng: phản proton (năm 1955), phản neutron (năm 1956), phản sigma (năm 1960....

1. Lịch sử hạt cơ bản
Năm 1964 : hạt hyperon nặng nhất: hạt omega -, với khối lượng gần gấp đôi khối lượng hạt proton.
Trong những năm 60: các hạt cộng hưởng

Vào năm 1962 : e, .
Năm 1974: tìm hạt J/psi, có khối lượng khoảng 3-4 lần khối lượng proton Đề xuất hạt duyên c (charm).

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

2. Phân loại hạt cơ bản
- Hạt vật chất:
Dựa vào độ lớn khối lượng và đặc tính tương tác:
Photon: lượng tử ánh sáng
Lepton:
+ Nhẹ, 0 < m < 200 me
+ Không tham gia tương tác mạnh
+ Lepton mang điện:
và Lepton trung tính: neutrino
Hadron:
+ tham gia tương tác mạnh
+ Khối lượng trên 200 me
+ Meson: 200 me < m < khối lượng nuclon
và Barion ( nuclon và Hyperon)
* Phân loại theo tương tác
- Hạt trường:

Hạt boson: spin nguyên
Hạt fermion: spin bán nguyên
* Phân loại theo spin

Hạt truyền tương tác là các boson.
BẢNG PHÂN LOẠI HẠT CƠ BẢN
Phương trình Schrodinger:
Trạng thái của hạt được biểu diễn bằng hàm sóng.
* Sóng vật chất: Tất cả các hạt vi mô đều có lưỡng tính sóng hạt.
Bước sóng:

Hạt vĩ mô: h nhỏ, m quá lớn nên bước sóng quá nhỏ, không phát hiện.
Sóng gi? Sóng xác suất.
Nguyên lí bất định:

Các định luật Vật lý áp dụng
Bất định toạ độ - xung lượng
Bất định năng lượng - thời gian
Thời gian xảy ra biến cố trong hệ quy chiếu K :

t0 trong hệ K’chuyển động với vận tốc v so với hệ K.

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.

Động lượng
Động năng
Năng lượng
Các định luật Vật lý áp dụng
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
3.1 Khối lượng
Mỗi hạt đều có khối lượng nghỉ m0 xác định.
Ngoại trừ hạt photon: m=0
Hạt neutrino: m=0
Đơn vị (MeV/c2, GeV/c2).
Tuỳ theo khối lượng mà người ta chia làm 3 loại hạt cơ bản:
-  Hạt nhẹ (lepton), ví dụ: me = 0,511MeV/c2
-  Hạt nặng (barion), ví dụ: mp = 938,3 MeV/c2, mn = 939,6MeV/c2
-  Hạt trung gian (meson), ví dụ: =139,6MeV/c2, = 135MeV/c2
- Khối lượng có vẻ phụ thuộc vào điện tích, tuy nhiên, quy luật của sự phụ thuộc này không rõ ràng.
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
3.3  Thời gian sống:
- 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 =, proton với   1030s, electron có   1022s …
- Hạt gần bền: bị phân rã do tương tác điện từ và tương tác yếu với thời gian sống  >10-20s (đối với neutron tự do  = 932s (thời gian sống trung bình)
- Hạt không bền (hạt cộng hưởng): bị phân rã do tương tác mạnh với thời gian đặc trưng là  <10-20s . ví dụ: các hạt 0, 0 là cộng hưởng
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
Đa số là hạt không bền (cộng hưởng): khoảng vài trăm hạt.
Một ít bền như p, e, pozitron, neutrino, gamma.
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+      π0      γ
        Đối hạt           e+       e-       π-       π0      γ
     Hạt và phản hạt chỉ là quy ước, căn cứ thế giới vật chất quanh ta cấu tạo chủ yếu từ “hạt”.
SINH VÀ HUỶ HẠT
Hiện tượng sinh và huỷ hạt: chỉ có trong thế giới các hạt cơ bản.
Đa số không có trong vật chất thông thường.
Phần lớn sinh ra do va chạm.
Bản chất:
cho 2 hạt ban đầu va chạm vào nhau, chúng sẽ huỷ nhau và sinh ra 2 hay nhiều hạt mới.
Sự huỷ hạt
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:
ms là số lượng tử hình chiếu spin:
1 giá trị s có (2s+1) trị số của ms;
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
-  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
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.

3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
3.7 Lepton tích
Gán cho các lepton một số lượng tử L gọi là số lepton:

·        L=1 cho tất cả các lepton

·        L= -1 cho tất cả các phản lepton

Trong tất cả các quá trình số lepton bảo toàn.


Số lepton thế hệ:

-  e- + + 
L: 1 0 + 0 + 1
Le: 0 1 - 1 + 0

Số lepton thế hệ bảo toàn:
Hệ quả:
·       - Các quá trình vi phạm số lepton xảy ra với xác suất rất nhỏ. Ví dụ: muon rã chủ yếu theo kênh rã thuần tuý lepton.
·        - Phân biệt các loại neutrino qua sự bảo toàn các lepton thế hệ.

3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
3.8 Isospin (spin đồng vị)
- Các hạt hadron được tập hợp thành từng nhóm nhỏ gọi là đa tuyến điện tích.
- Mỗi đa tuyến: gồm những hạt cùng m và các tính chất khác, khác nhau về điện tích.
Để mô tả các trạng thái điện khác nhau của nhóm hạt đó người ta đưa vào một số lượng tử mới – isospin I (còn gọi là spin đồng vị).
Mỗi nhóm: (đa tuyến isospin)
Tìm công thức xác định isospin I?
Tìm số thành phần của đa tuyến (số trạng thái điện tích) N liên hệ với spin đồng vị I?
Tương tác p&n, p&p,n&n: không phụ thuộc điện tích (như nhau nếu các nuclôn đó ở những trạng thái như nhau), không phân biệt.
mp khác mn: do điện tích.
Bỏ qua tương tác điện từ: cùng khối lượng do đó cùng một năng lượng.
Tính đến tương tác điện từ: hai khối lượng khác nhau chút ít, do đó tương ứng với hai mức năng lượng gần nhau.
Người ta có thể coi p và n là hai trạng thái của cùng một hạt, tức là nuclôn (N).
Ta có thể so sánh tính chất này với tính chất của electron trong nguyên tử. 

Nếu hệ có spin thông thường là s thì hệ có (2s+1) trạng thái ứng với các hình chiếu khác nhau của spin.
Tương tự:
Hệ có spin đồng vị I thì hệ sẽ có (2I+1) trạng thái ứng với các giá trị khác nhau của hình chiếu spin đồng vị.
Vậy: số trạng thái điện tích: N = 2I + 1
Mỗi trạng thái điện tích trong iso – đa tuyến tương ứng với một giá trị hình chiếu mI của isospin I.

mI= I, I - 1, …, - I
Các giá trị của mI được sắp xếp theo điện tích giảm dần.



VD:Tìm hình chiếu spin đồng vị của lưỡng tuyến Nuclon, lưỡng tuyến meson K, tam tuyến meson pi, tam tuyến xichma?
VD:Tìm hình chiếu spin đồng vị của lưỡng tuyến Nuclon, lưỡng tuyến meson K, tam tuyến meson pi, tam tuyến xichma?
Lưỡng tuyến Nuclon:
Ta có N=2 suy ra N=2I+1=2
suy ra: I=1/2
mI nhận gía trị: I, I-1, .., -I
Suy ra: mI: 1/2 và –1/2
Thay B=1, S=0 vào công thức:
Lưỡng tuyến meson K:
Ta có N=2 suy ra N=2I+1=2
suy ra: I=1/2
mI nhận gía trị: I, I-1, .., -I
Suy ra: mI: 1/2 và –1/2
Thay B=0, S=1 vào công thức:
VD:Tìm hình chiếu spin đồng vị của lưỡng tuyến Nuclon, lưỡng tuyến meson K, tam tuyến meson pi, tam tuyến xichma?
Tam tuyến meson pi:
Ta có N=3 suy ra N=2I+1=3
suy ra: I=1
mI nhận gía trị: I, I-1, .., -I
Suy ra: mI: 1, 0, -1
Thay B=0, S=0 vào công thức:
Tam tuyến meson xichma:
Ta có N=3 suy ra N=2I+1=3
suy ra: I=1
mI nhận gía trị: I, I-1, .., -I
Suy ra: mI: 1, 0, -1
Thay B=1, S=-1 vào công thức:
Bảng isospin I và hình chiếu của nó mI
Chú ý:
Phản hạt: I không đổi dấu.
Isospin chỉ bảo toàn trong tương tác mạnh.
Hình chiếu isospin cũng bảo toàn trong tương tác mạnh và điện từ.
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
3.9 Số lạ
Trong thực nghiệm, các meson K và các barion , , , và  (nhóm này tạo thành các hyperon) có đặc điểm sau gọi là hạt lạ:
Sinh ra trong những quá trình rất nhanh và phân rã trong những quá trình rất chậm.
Bao giờ cũng sinh ra đồng thời hai ba hạt lạ nhưng không sinh ra một hạt lạ hay vài hạt lạ cùng loại ( hiện tượng tạo cặp liên hợp).
VD: Xảy ra phản ứng:
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
Không thể xảy ra các phản ứng:

Để đặc trưng cho đặc điểm trên người ta đưa ra một số lượng tử mới là số lạ S.
Phản hạt có số lạ ngược dấu với hạt.
Để giải thích các quá trình sinh hạt lạ: sử dụng định luật bảo toàn số lạ.
Số lạ chỉ bảo toàn trong tương tác mạnh và tương tác điện từ.
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
Công thức tính số lạ:
Những hadron nào có S  0 đều được gọi là hadron lạ.
VD:
-         Tam tuyến +, -, 0 có:

Do đó, các hạt trên là hạt lạ.

4. Mẫu Quark
Nhờ có các máy gia tốc cực mạnh, người ta đã tìm ra hàng trăm hạt hadron (400 hạt).
Các hạt cơ bản đã thực sự “cơ bản” hay chưa?

4. Mẫu Quark
Năm 1961, Murray Gell-Mann đã đưa ra mô hình cấu tạo của các hadron.
Các hadron được cấu tạo từ các hạt có kích thước nhỏ hơn gọi là hạt Quark .
Điều này đã được các thí nghiệm ở trung tâm máy gia tốc ở Stanford (SLAC) cung cấp vào cuối những năm 1960.
4. Mẫu Quark
Hadron cấu tạo từ 3 quark u, d, s và 3 phản hạt của chúng.

meson = quark + phản quark
barion = quark + quark + quark
CẤU TẠO CÁC HADRON THEO QUARK
Sự hợp thành này phải bảo đảm đúng định luật bảo toàn điện tích, barion tích và số lạ....
CẤU TẠO CÁC HADRON THEO QUARK
Các định luật bảo toàn được nghiệm đúng.
Cấu tạo hạt lạ theo quark:
Hạt lạ = quark +quark+quark s (hoặc )
CẤU TẠO CÁC HADRON THEO QUARK
Bảng cấu tạo một số Hadron:


NHỮNG BẤT ỔN
Số hadron được tạo thành từ quark và phản quark?
Hạt  vi phạm nguyên lí Pauli

SỐ LƯỢNG TỬ MÀU
Màu đỏ (red), kí hiệu: r
Màu lục (blue), kí hiệu: b
Màu xanh lá (green), kí hiệu: g
Màu quark thay đổi theo thời gian.

QUY TẮC MÀU
Barion = 3 quark có 3 màu khác nhau
Meson = quark và phản quark cùng màu
với xác suất cả 3 màu như nhau.
4. Mẫu Quark
4. Mẫu Quark
Màu của quark có phải là màu thật hay không?
TL: Không liên quan gì đến màu thật.
Các nhà Vật lý đặt tên cho số lượng tử mới đó.
* Thực nghiệm đã gián tiếp xác nhận sự tồn tại của 3 màu.
Quark có tồn tại trong tự nhiên hay không?
TL: không vì quark bị cầm tù bên trong Hađron.
Hadron không màu.
Thực nghiệm đã chứng minh sự tồn tại của quark thông qua việc chúng bị Hadron hoá.
Quark mùi thứ 4, thứ 5, thứ 6
Những năm 60:
Các hạt cơ bản:
4 lepton
3 quark: u, d, s
Các hạt này không có tính đối xứng.
+ Năm 1964 đưa ra giả thuyết về lượng tử số “duyên” (c). Năm 1974 giả thuyết này được khẳng định
+ Năm 1975 đưa ra giả thuyết về lượng tử số “đẹp” gọi là quark đáy (b). Ngay sau đó họ tìm được: Y = b +
+ Ngay sau đó đưa ra Quark mùi thứ 6 là Quark t (Top)
6 quark và 6 lepton được công nhận là hạt thật sự cơ bản.
5. PHƯƠNG HƯỚNG THỐNG NHẤT
CÁC LOẠI TƯƠNG TÁC
Từ sự vận động đa dạng và phong phú của tự nhiên, các nhà vật lý đã dần khám phá và xây dựng nên các loại lực.

I.Newton
acsimet
Coulomb
Sự giống nhau về bản chất đã giúp các nhà vật lý nhóm các loại lực lại thành 4 tương tác cơ bản:
+tương tác mạnh
+ tương tác điện từ
+ tương tác yếu
+ tương tác hấp dẫn.
Lực hút giữa vật chất mang khối lượng.



Tính phổ dụng
Tương tác yếu nhất nên bỏ qua trong thế giới vi mô.
Tầm tác dụng: vô cùng.
Hạt truyền tương tác:
graviton
Đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành cấu trúc vũ trụ.
Các quá trình phân rã Hadron, hấp thụ meson muy và các quá trình có neutrino.
Tầm tác dụng ngắn.
Cường độ nhỏ.
Tác dụng lên hạt có spin ½.
Tương tác duy nhất của Neutrino với vật chất.
Hạt truyền tương tác:
Đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên.

VD:phản ứng hạt nhân của mặt trời hay sự tạo thành các nguyên tử nặng…
Phân rã - của neutron
Phân rã
- Tương tác giữa các hạt mang điện.
Tầm tác dụng lớn, cường độ mạnh.
Lực hút hoặc đẩy.
Hạt truyền tương tác: photon.
- Đóng vai trò chủ yếu trong các tương tác ở cấp độ nguyên tử, phân tử.
Tương tác giữa các Hadron
Ở thang năng lượng hạt nhân: là lực hạt nhân gắn kết các Nuclon. Tác nhân truyền lực là meson pi (hạt trung gian).
VD:

Thực chất là biểu hiện bên ngoài của tương tác giữa các quark (gọi là tương tác mạnh) thông qua việc trao đổi các hạt gluon.
Tương tác mạnh giữa các nuclon không phải là nhiệm vụ của các meson mà là sự trao đổi các cặp quark trong lòng các nuclon: u-u, d-d

Lý thuyết tương tác mạnh giữa các quark có tên là Sắc động lực học lượng tử.
"Sắc" nghĩa là màu, để chỉ rằng nguồn của tương tác mạnh là màu của các quark.
Tương tác giữa các quark màu với nhau bởi gluon.
Các tương tác có quan hệ với nhau không?

(Lý thuyết thống nhất)
+ Einstein nêu lên đầu tiên, sau đó được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Albert Einstein
Brian Greens
Stephen Hawking
Đăc điểm:
-       Bán kính tác dụng ngắn (cở 10-13 cm)
-       Thời gian sống của các hạt tạo thành trong tương tác mạnh rất ngắn (cở 10-24s)
-        Không phụ thuộc điện tích của các hạt.
Hạt truyền tương tác: gluon có spin =1, có màu.
Gluon chỉ tương tác với chính nó và với hạt quark.

-Thống nhất qua mô hình Weinberg-Salam.
- Sự kiểm nghiệm có sức thuyết phục nhất của thuyết điện - yếu là khẳng định sự tồn tại của các hạt boson vectơ trung gian W+, W-, và Z0 .
Máy gia tốc ở CERN

Tương tác điện từ và tương tác yếu là những tương tác riêng lẻ, hai tương tác này chỉ thống nhất khi thang năng lượng đủ lớn ( khoảng 100 GeV).


“Lý thuyết thống nhất lớn“ (grand unified theory) được đưa ra nhằm thống nhất 3 loại tương tác: mạnh, yếu, điện từ, ở mức năng lượng khoảng 10^15 GeV.
Sơ đồ năng lượng thống nhất các lực tương tác
SIÊU THỐNG NHẤT
Lí thuyết thống nhất chưa đạt yêu cầu ở 2 điểm:
-      +   Vẫn còn phân biệt 2 loại hạt khác nhau:
các hạt vật chất gồm các lepton và các quark, các hạt truyền tương tác như W và Z0.
-      + Chưa đến tương tác hấp dẫn.

Xây dựng lí thuyết siêu thống nhất.
Hiện nay, việc tìm kiếm một TOE được xem là mục tiêu hàng đầu của vật lý lý thuyết và vật lý năng lượng cao, và lý thuyết dây (string theory) được xem là ứng cử viên sáng giá nhất.

Lý thuyết dây được đưa ra nhằm thống nhất hai học thuyết lớn của vật lý: thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử.


Edward Witten
sợi dây mảnh tương tự dây tóc bóng đèn.
- Sợi dây có khả năng thực hiện nhiều rung động khác nhau tương tự như dây đàn.
- “âm điệu” do dây cơ bản phát ra tạo nên các hạt.
- Khi xuống đến khoảng cách độ dài Plank thì tất cả các hạt đều là các mode rung động của dây cơ bản.
e hay quark: điểm
Thống nhất các tương tác và sự khởi đầu
của vũ trụ

Vũ trụ của chúng ta được sinh từ một “vụ nổ lớn” (Big Bang) cách nay 15 tỷ năm.

Ở những thời điểm đầu tiên 10-43s, vũ trụ có kích thước 10-32m, nhiệt độ cực cao 1032K, ứng với năng lượng 1019GeV; lúc này có bốn loại tương tác thống nhất với nhau (siêu thống nhất).

Tiếp đó, năng lượng giảm dần đến 1015GeV, tương tác hấp dẫn tách ra thành một tương tác riêng; chỉ còn ba tương tác: mạnh, điện từ, yếu, thống nhất với nhau (sự thống nhất lớn).

Tiếp sau đó, năng lượng vào cỡ 100GeV: tương tác: mạnh tách ra chỉ còn hai tương tác điện từ và yếu thống nhất với nhau;

Cuối cùng khi năng lượng giảm dần đến 0,1GeV thì các tương tác điện từ và yếu củng tách ra. Và sau đó 14 tỉ năm hình thành vũ trụ ngày nay.

6. Máy gia tốc
Tại sao cần phải tăng năng lượng cho hạt?
Nghiên cứu hạt sơ cấp sử dụng phương pháp bắn phá các hạt vào vật chất.
Phản ứng hạt nhân có tiết diện phản ứng nhỏ cần chùm hạt có mật độ khoảng 1010 hạt/cm2.s
Trong tự nhiên không tồn tại hạt có năng lượng phù hợp và mật độ rất nhỏ
Cần chủng loại hạt đa dạng để nghiên cứu Vật lý hạt nhân
 Máy gia tốc là phương tiện duy nhất giúp ta làm được điều đó.
Máy gia tốc là thiết bị để tăng năng lượng cho các hạt cần gia tốc.

Thông qua sự tương tác giữa điện từ trường và hạt tích điện.
 điều khiển gia tốc hạt và hướng chuyển động của hạt.
Phân loại máy gia tốc

Phân loại máy theo loại hạt
Phân loại theo năng lượng các hạt được gia tốc
Phân loại theo tính chất trường gia tốc
Phân loại theo quỹ đạo chuyển động
MÁY GIA TỐC CÓ QUỸ ĐẠO TRÒN
1. Máy gia tốc Cyclotron.
2. Betatron.
3. Synchrotron, Phasotron và Synchrophastron
Máy Gia tốc Cyclotron

Betatron
Khi hạt chuyển động với vận tốc lớn, khối lượng của hạt tăng lên nên chu kì chuyển động tăng, mất dần tính đồng tính đồng bộ với sự thay đổi của điện trường do sự đến chậm của hạt Có sự giới hạn về năng lượng của hạt. Thiết bị Bebatron khắc phục nhược điểm này.

Một mô hình của Synchrotron
Hình dạng của một Synchrotron
Bên trong của một Synchrotron
Máy gia tốc ở Việt Nam
 Máy NA-3-C do Hungari sản xuất, đưa vào hoạt động năm 1974, đặt tại Viện vật lý và Trung tâm KTTN-CNQG
* Máy gia tốc Deuterium
 Máy gia tốc Microtron MT-17 do Liên Xô sản xuất, đưa vào hoạt động từ năm 1982
8/6/2009
Lecture XXV
86
Các máy gia tốc hạt trên thế giới
Tevatron
Fermilab – Chicago, Mỹ.
6.28 km
Top quark được tìm thấy ở đây - 1996

8/6/2009
Lecture XXV
87
Large Hadron Collider (LHC)
LHC (Cern, Thuỵ sĩ)–2008
27 km;
Bài tập
ĐLBT chung: năng lượng, xung lượng, mômen xung lượng, điện tích, số Barion, số lepton electron, số lepton meson.
Những định luật bảo toàn chỉ đúng trong một số tương tác.
Trong tương tác mạnh: số lạ S, spin đồng vị I, hình chiếu spin đồng vị.
Trong tương tác điện từ: số lạ S, hình chiếu spin đồng vị.
Trong tương tác yếu có hạt lạ tham gia, số lạ S và spin đồng vị biến đổi.

Bài tập
1.     Tìm các hạt X có thể có trong các phản ứng sau đây:

a.      

b.     

c.     

a.      
b.     
c.     

Đáp án
1.      Phản ứng nào có thể xảy ra trong các cặp phản ứng sau đây:
a.      
(tương tác mạnh)


b.     
(tương tác mạnh)



c.      (tương tác mạnh)



d.     
(tương tác yếu)

a.       vi phạm S,mI

b.      vi phạm B,mI

c.      vi phạm S,mI

d.      vi phạm Le

3. Dùng mẫu quark chứng minh không có meson nào có:
a.       Q =1 và S = -1 b. Q = -1 và S =1
4. Chỉ dùng các quark u, d, s hãy tạo lập một Barion (nếu có thể)
a.       Q = 1 và S = -2 b. Q = 2 và S = 0