Cấu trúc vật chất

Cấu trúc vật chất
Từ nucleon đến quark
Summer School 2005
NguyÔn MËu Chung
Vietnam National University
TrÇn Minh T©m
EPFL Lausanne Switzerland
Particle Physics
Ha Noi July 2005
2
Tóm tắt nội dung
Đầu thế kỷ XX :
Vật chất, nguyên tử, ánh sáng, phóng xạ.
Các tương tác cơ bản, đối xứng.
Các hạt cơ bản.
Cơ sở thực nghiệm : máy gia tốc, detector.
Cơ sở lý thuyết : trường chuẩn.
Mô hình chuẩn.
Hai vấn đề thời sự :
LHC, máy gia tốc tương lai của CERN.
Quan hệ Vật lý Hạt cơ bản và vũ trụ học.
Thay cho kết luận.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
3
Đầu thế kỷ XX
Đầu thế kỷ XX, con người biết :
Nguyên tử (Démocrite), phân tử, tinh thể.
ánh sáng, tia X (Roentgen).
Các trạng thái của vật chất.
Phóng xạ (alpha, bêta, gamma).
Electron (J.J. Thomson đo e/m (1897) ---> khối lượng electron < 1/1000 khối lượng nguyên tử.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
4
Nguyên tử
Mô hình nguyên tử của J.J. Thomson.
Tán xạ a trên vàng Rutherford (1909).
Nguồn a (Polonium).
Bia vàng lá dày mm.
Detector ZnS (nhấp nháy).
Quan sát bằng kính hiển vi.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
5
Phân bố hạt a
Theo mô hình của Thomson, hạt a tập trung thành vết trên màn ảnh sau bia.
Kết quả thực nghiệm :
Phần lớn hạt a tập trung thành vết trên màn ảnh sau bia.
Một số hạt a bị lệch hướng (tán xạ).
Một số ít hạt a có góc tán xạ lớn (bật ngược trở lại).
Kết quả như nhau cho bia vàng, bạc, mica.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
6
Mẫu hành tinh nguyên tử
Hạt nhân :
Tích điện dương.
Rất nhỏ bé (10-15 m).
Nguyên tử --> sân bóng.
Hạt nhân --> quả bóng.
Khối lượng nguyên tử tập trung ở hạt nhân.
Hạt nhân làm tán xạ hạt a.
Electron quay quanh hạt nhân.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
7
neutron
Hydrogène trong hạt nhân (Rutherford).
Bức xạ đâm xuyên (Bother và Becker).
Tia g năng lượng cao 50 MeV (Curie).
Thí nghiệm của Chadwick :
Lặp lại thí nghiệm Curie với các nguyên tố khác nhau.
Xác định khối lượng neutron, thông qua hạt nhân giật lùi.

Particle Physics
Ha Noi July 2005
8
Hạt nhân nguyên tử
Hạt nhân gồm proton và neutron (nucleon).
Trong nucleon có các quark hóa trị : p(uud), n(udd).
Quark tương tác mạnh với nhau thông qua gluon.
Nucleon cấu tạo từ quark hóa trị, gluon và quark biển.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
9

Hai vấn đề đầu thế kỷ XX
Tương đối và Lượng tử
Vận tốc ánh sáng là hằng số (Michelson và Moreley) mâu thuẫn với quan niệm chung bấy giờ.
Được giải quyết nhờ Thuyết tương đối hẹp.
Tương tác ánh sáng với vật chất : bức xạ vật đen.
Lượng tử hóa ánh sáng khi phát xạ (1900, Planck)
Lượng tử hóa ánh sáng khi hấp thụ (1905, Einstein).
Khởi đầu Cơ học lượng tử.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
10
Các tương tác
Các hiện tượng của tự nhiên gắn liền 4 loại tương tác :
tương tác điện từ,
tương tác hạt nhân hay tương tác mạnh,
tương tác yếu,
tương tác hấp dẫn.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
11
Tương tác điện từ
Được hiểu rõ nhất :
Tầm tác dụng xa vô hạn
Cường độ đặc trưng bằng hằng số cấu trúc tinh tế
ae = 1/137 = e2/4pe0(h/2p)c.
Được dùng làm mô hình cho các tương tác khác.
Nguồn gốc :
Điện tích -> điện trường.
Điện tích chuyển động -> từ trường.
Điện tích gia tốc -> điện từ trường.
Lý thuyết :
Hệ phương trình Maxwell !
Điện động lực học lượng tử QED.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
12
Tương tác mạnh (1)
1932 : phát hiện neutron (Chadwick).
Để n và p trong hạt nhân, lực hạt nhân phải :
Thắng lực coulomb (-> mạnh !),
Có tầm ngắn,
Không phụ thuộc điện tích (hạt nhân gương) : tồn tại đối xứng (trong) giữa proton và neutron !
Theo Heisenberg : đối với tương tác mạnh, n và p là 2 trạng thái của cùng một hạt -> khái niệm d`isospin.
Hạt nhân gương
Particle Physics
Ha Noi July 2005
13
Tương tác mạnh (2)
Phân rã hạt nhân :
Tương tác mạnh, tầm ngắn
Hạt nhân bền ? cân bằng giữa tương tác mạnh (hút) và lực tĩnh điện (đẩy).
Cực đại năng lượng liên kết trung bình --> hạt bền vững nhất : Fe56.
Phân rã a : hạt nhân He4, bền vững, xuyên qua rào thế bằng hiệu ứng đường ngầm.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
14
Tương tác yếu (1)
Gây ra phân rã b, làm giảm số nucleon dư thừa của hạt nhân.
Hai loại phân rã b
b- : n --> p + e-
b+ : p --> p + e+
Phổ g và a gián đoạn, phổ b liên tục :
Borh đề nghị từ bỏ định luật bảo toàn năng lượng.
Pauli (1930) đưa ra giả thuyết neutrino.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
15
Neutrino
Neutrino (giả thuyết) :
Khối lượng bằng không.
Spin : 1/2.
Điện tích bằng không.
Tương tác yếu với vật chất.
Thực nghiệm : tồn tại neutrino (1953).
Hai loại neutrino ne và nm (1964).
Thiếu hụt neutrino từ mặt trời :
Dao động neutrino (Pontercovo) --> neutrino có khối lượng.
Super Kamiokande, NOMAD, CHORUS ...
Thí nghiệm tầm xa : Minos, Grand Sasso.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
16
Thống nhất tương tác
Particle Physics
Ha Noi July 2005
17
Đối xứng
Đối xứng trong thế giới vĩ mô (tinh thể, bông tuyết, cánh bướm .)
Trong vật lý hạt cơ bản, đối xứng liên quan đến hệ động học đang được nghiên cứu.
Đối xứng là đối tượng nghiên cứu của một ngành toán học, lý thuyết nhóm.
Sau đây chúng ta khảo sát các loại đối xứng khác nhau.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
18
Đối xứng không gian và thời gian
Quy luật vật lý được phát biểu trong hệ quy chiếu.
Tuy nhiên, các quy luật đó không phụ thuộc việc chọn hệ quy chiếu, nghĩa là, không đổi khi chuyển từ hệ quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác.
Định lý Noether : bất biến khi
tịnh tiến thời gian -> bảo toàn năng lượng E,
tịnh tiến không gian -> bảo toàn xung lượng P,
quay không gian -> bảo toàn moment động lượng L.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
19
Đối xứng rời rạc (1)
Trong vật lý hạt cơ bản, ngoài đối xứng không-thời gian, các đối xứng rời rạc cho chúng ta biết khả năng xảy ra phản ứng :
Chẵn lẻ (nghịch đảo không gian) P y(x,t) = y(- x,t)
Liên hợp điện tích C (biến hạt thành phản hạt); trong trường hợp C bảo toàn, hai phản ứng
e- + p --> e- + p
e+ + p --> e+ + p
giống hệt nhau.
Nghịch đảo thời gian T nhận được bằng cách cho thời gian trôi theo chiều ngược lại, nghĩa là, nghịch đảo phản ứng; thí dụ, nếu bất biến dưới biến đổi T, hai phản ứng
p- + p --> g + n
g + n --> p- + p
có cùng xác suất.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
20
Đối xứng rời rạc (2)
Có thể thực hiện liên tiếp hai phép biến đổi rời rạc, chẳng hạn, CP :
Thực hiện biến đổi P vào hệ hạt, rồi biến đổi C.
Thu được hệ phản hạt trong hệ quy chiếu nghịch đảo.
Nếu Vật lý quyết định sự tiến triển của hai hệ hạt và phản hạt bất biến dưới biến đổi CP, hai hệ sẽ có đặc tính hoàn toàn giống nhau.
Người ta cho rằng quy luật Vật lý bất biến dưới biến đổi CPT (Định lý CPT).
Particle Physics
Ha Noi July 2005
21
Đối xứng trong
Chúng ta thấy thí dụ về đối xứng trong khi bàn về hạt nhân gương : tương tác mạnh giữa các nucleon (proton hoặc neutron) không phụ thuộc vào điện tích.
Tồn tại đối xứng giữa neutron-proton, đối xứng trong của các nucleon.
Chúng ta sẽ thấy các hạt khác được đặc trưng bằng các số lượng tử mới (lạ, duyên, đẹp, .) cho phép phân loại hạt cơ bản theo đối xứng trong.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
22
Đối xứng động học
Đối xứng không-thời gian <-> bảo toàn xung lượng P, năng lượng E và moment J.
Nhưng còn các định luật bảo toàn khác, như định luật bảo toàn điện tích.
Về mặt toán học, để bảo toàn điện tích, Lagrangien phải bất biến dưới phép biến đổi phase của hàm sóng.
y(x) mô tả hàm sóng.
Tương tác được mô tả bởi Lagrangien L(y).
Nhóm biến đổi phase của hàm sóng
G y(x) = y*(x)
G L(y) = L(y*)
Bất biến L(y) = L(y*).
Hạn chế dạng của Lagrangien.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
23
Các hạt cơ bản
Vật chất gồm 3 họ quark và leptons ghép theo cặp.
Quark tham gia cả ba tương tác mạnh, điện từ và yếu.
Lepton tích điện (e, m, t) tham gia tương tác điện từ và tương tác yếu.
Neutrino n chỉ tham gia tương tác yếu.
Điện tích quark : 2/3 và -1/3
Điện tích lepton : 0 và -1
Proton : (uud) neutron : (ddu)

Particle Physics
Ha Noi July 2005
24
Quark
Điện tích : -1/3 hoặc 2/3.
Ba quark đầu tiên, năm 1963 : u (up), d (down) và s(strange).
Quark c (charm), năm 1974 (cách mạng tháng 11).
Quark b (beauty hoặc bottom) (1976 tại FermiLab).
Quark t (top hoặc truth), FermiLab (tháng 2 năm 1995).
Particle Physics
Ha Noi July 2005
25
Lepton
Lepton không có cấu trúc (hạt điểm).
Lepton tích điện : electron e (1897), muon m (1937), tauon t (1975).
Lepton trung hòa hay neutrino : ne (1953), nm (1964), nt (2000).
Particle Physics
Ha Noi July 2005
26
Các thế hệ và cặp
Quark và lepton xuất hiện theo cặp
Quark : (u d), (c s), (t b).
Lepton (e ne), (m nm), (t nt).
Quark và lepton xuất hiện theo thế hệ :
u d e ne.
c s m nm.
t b t nt.
Vật chất thông thường chỉ gồm thế hệ thứ nhất.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
27
Hadron
(hạt tham gia tương tác mạnh)
Quark chỉ xuất hiện trong trạng thái liên kết (cầm tù).
Meson gồm quark và phản quark : p+ (ud), p- (ud).
Baryon gồm ba quark : proton (uud), neutron (udd).
Pentaquark ?
Particle Physics
Ha Noi July 2005
28
Cơ sở thực nghiệm cho
Vật lý hạt cơ bản
Bằng cách nào nhìn thấy hạt cơ bản nhỏ hơn nguyên tử một trăm triệu lần ?
Particle Physics
Ha Noi July 2005
29
Quan sát vật có
kích thước khác nhau
Particle Physics
Ha Noi July 2005
30
Máy gia tốc
Năng lượng biến thành vật chất theo công thức E = mc2.
Gia tốc tròn và tuyến tính.
Hạt bền được gia tốc : electron, proton.
Hạt thứ cấp sinh ra : p, kaon, m, n.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
31
Máygia tốc tại CERN
Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu âu CERN tại Geneva nằm trên hai nước Pháp và Thụy sỹ.
Máy gia tốc trước cung cấp hạt cho máy gia tốc sau : PS, SPS, LEP và LHC.
Năng lượng cao nhất 14 TeV trong hệ khối tâm.
Chu vi LEP và LHC : 28 km.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
32
Hai kiểu thí nghiệm
Bia cố định : đơn giản, mật độ cao nhưng năng lượng thấp.
Collider : năng lượng cao, mật độ thấp, kỹ thuật phức tạp.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
33
Detector
cho hạt cơ bản
Particle Physics
Ha Noi July 2005
34
Xác định hạt
Tracker xác định vị trí hạt tích điện.
Calorimeter điện từ xác định e và g.
Calorimeter hadron xác định hadron : p, n, p.
Buồng muon xác định muon m.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
35
Lý thuyết trường chuẩn
cơ sở lý thuyết của Vật lý hạt cơ bản (1)
Các hạt cơ bản và các loại tương tác cho phép giải thích các hiện tượng dưới cấp độ hạt nhân.
Tuy nhiên, các nhà vật lý hiểu rằng còn tồn tại mối liên hệ sâu sắc hơn giữa tương tác và vật chất : vật chất xuất hiện không phải chỉ để các tương tác tác dụng lên !
Tất cả các tương tác có thể được suy ra theo cùng một nguyên lý đối xứng của vật chất : �Nguyên lý bất biến chuẩn định xứ.
Nguyên lý này gắn với đối xứng trong không gian nội tại của quark và lepton.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
36
Lý thuyết trường chuẩn
cơ sở lý thuyết của Vật lý hạt cơ bản (2)
Heisenberg : n và p là 2 trạng thái của nucleon (dẫn đến isospin).
-> với tương tác mạnh, không có gì thay đổi khi quay tất cả các vector isospin trong toàn thể vũ trụ theo cùng một góc.
Điều gì xảy ra khi khảo sát phép quay theo các góc khác nhau tại mỗi điểm trong không gian? (C.N. Yang et R.L. Mills 1954).
Quay << địa phương>>
Particle Physics
Ha Noi July 2005
37
Lý thuyết trường chuẩn
cơ sở lý thuyết của Vật lý hạt cơ bản (3)
Yang và Mills kết luận rằng bất biến chỉ thỏa mãn khi tồn tại những <> chuyển từ điểm này sang điểm khác trong không gian những thông tin về góc quay của vector nội tại của hạt.
Đó là nguyên lý bất biến chuẩn địa phương.
áp dụng cho tương tác điện từ và tương tác yếu, nguyên lý này là cơ sở cho mô hình chuẩn điện từ yếu.
Mô hình chẩn tiên đoán khối lượng các sứ giả W�, Z0 hạt sau là boson trung gian của tương tác yếu dòng trung hòa.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
38
Lý thuyết trường chuẩn
Điện động lực học lượng tử QED
Đối với điện từ học, có thể thay đổi một cách tổng thể pha G của hàm sóng của các hạt tích điện.
Nếu chúng ta đòi hỏi bất biến chuẩn định xứ G(x), lagrangien không giống như trước .
Đưa vào photon A : bất biến chuẩn định xứ được tái xác lập khi xuất hiện boson chuẩn không khối lượng, pho ton.
Đối xứng chuẩn -> bảo toàn điện tích.
G L(y) --> L(y*) biÓu diÔn c¸c ®Þnh luËt vËt lý ®éc lËp c¸ch chän phase.
G(x) L(y) --> L*(y*)
L  L* !
G(x) L(y A ) --> L(y*,A*) A lµ vector 4 chiÒu cña tr­êng ®iÖn tõ.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
39
Mô hình chuẩn
Tìm kiếm lý thuyết bất biến chuẩn định xứ cho các tương tác yếu, điện từ và mạnh.
So với QED, vấn đề khó khăn là boson chuẩn của tương tác yếu có khối lượng lớn.
Hiện tượng phá vỡ tự phát của đối xứng chân không và cơ chế Higgs cho phép tạo khối lượng cho boson trung gian của tương tác yếu và giữ cho photon không có khối lượng.
Bằng cách đó, người ta đưa vào boson Higgs khi tương tác với các hạt khác sẽ làm cho các hạt khác có khối lượng.
Với tương tác mạnh, boson chuẩn, gluons, đóng vai trò sứ giả của tương tác mạnh giữa các quarks. ô�Điện tích tương tác mạnh ằ là các ô�màu ằ.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
40
Phá hủy đối xứng tự phát,
cơ chế Higgs (1)
Trong vật lý thường có lý thuyết đối xứng nhưng có nghiệm bất đối xứng.
Trong lý thuyết lượng tử, hạt được mô tả bởi các trường. Mức cơ bản (trạng thái trong chân không) tương ứng năng lượng cực tiểu.
Khảo sát cặp vô hướng F = (f1, f2) (tương tự với nucleon N = (p, n)) và thế tương tác U(F) giữa f1 và f2 có dạng như hình vẽ.
Đòi hỏi bất biến chuẩn định xứ khi quay trong mặt phẳng (f1, f2) .

Bất biến chuẩn định xứ
(quay trong không gian F? -->
Xuất hiện hạt chuẩn A với
Lagrangien : L(f1, f2, A).
Particle Physics
Ha Noi July 2005
41
Phá hủy đối xứng tự phát
cơ chế Higgs (2)
A mang th«ng tin vÒ gãc quay (f1, f2) tõ ®iÓm nµy sang ®iÓm kh¸c.
§Þnh nghÜa l¹i tr­êng trong tr¹ng th¸i n¨ng l­îng cùc tiÓu ’ = f1, 2’ = f2 - R
Kh«ng thay ®æi vÒ vËt lý! KÕt qu¶ nhËn ®­îc :
f’ nhËn khèi l­îng tû lÖ víi R.
’ biÕn mÊt.
H¹t chuÈn A nhËn khèi l­îng tû lÖ víi R.
§èi xøng ban ®Çu bÞ ph¸ hñy !
G(x) L(f1, f2, A) -> L(f1, f2, A*) BÊt biÕn chuÈn ®Þnh xø. Cho ®Õn lóc nµy, h¹t chuÈn A ch­a cã khèi l­îng (nh­ trong QED).
Ph¸ hñy ®èi xøng tù ph¸t
L(f1, f2, A)  L(’, 2’, A)
Sè bËc tù do (btd) ®­îc b¶o toµn :
F : 2 btd, A : 2 btd. (kh«ng khèi l­îng)
2’ : 1 btd, A : 3 btd (A cã khèi l­îng)
 lµ h¹t Higgs
Particle Physics
Ha Noi July 2005
42
Hạt thu nhận khối lượng !
Chúng ta vừa thấy hạt chuẩn thu nhận khối lượng như thế nào. Chúng ta cũng phải đưa vào Lagrangien tương tác của hạt Higgs với các hạt thông thường�: tương tác này làm cho các hạt khác có khối lượng. Tuy nhiên, tương tác này còn chưa được hiểu tường tận.
Tương tự 1 : Trong đại sảnh có cuộc gặp mặt cả các đại biểu quốc hội; họ phân bố đều trong phòng và nói chuyện. Thủ tướng bước vào, các đại biểu gần thủ tướng vâyquanh để hỏi chuyện. Thủ tướng phải gắng sức hơn để có thể dịch chuyển : điều đó giống như ông ta nhận khối lượng !
Tương tự 2 : độ nhớt của hạt khi chuyển động qua chất lỏng nhớt -> tương tác càng mạnh, hạt càng tỏ ra có khối lượng !
Việc phát hiện ra hạt Higgs có tính quyết định !
Particle Physics
Ha Noi July 2005
43
mô hình Thành công và điểm yếu của chuẩn
Mô hình chuẩn có 18 tham số tự do, trong đó có hằng số liên kết a và góc Weinberg qW.
Các hạt của mô hình đều đã dược phát hiện, trừ boson Higgs.
Mô hình trải qua nhiều thử nghiệm trong các thí nghiệm khác nhau
Quan sát dòng trung hòa yếu tại CERN (Gargamelle 1973)
Quan sát boson trung gian W� và Z0 (UA1 và UA2 1984)
3 họ neutrinos -> 3 họ fermions (LEP 1992)
Quark top phát hiện bởi thí nghiệm CDF (FNAL 1995).
Nhưng : 18 tham số ! Có tồn tại lý thuyết khác ? Có tồn tại lý thuyết cho mọi thứ ? Các hạt có thật sự là cơ bản ? Đâu là nguồn gốc của vi phạm CP quan sát thấy trong hệ K0 ?
Particle Physics
Ha Noi July 2005
44
Nhắc lại các tương tác
Trong phân rã b?, gây ra do tương tác yếu, quark d được biến đổi thành quark u.
Tương tác này là kết quả trao đổi môt hạt truyền tương tác, boson trung gian W- (O. Klein 1938). Hạt boson W+ cũng tồn tại (phân rã ?+).
Hạt truyền tương tác điện từ là photon.
Hạt truyền tương tác mạnh giữa các quarks là gluon.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
45
Tóm tắt hạt và tương tác
Perl (75)
Thomson e–
(1897)
Anderson e+
(32)
Lederman (77)
Ting/Richter (74)
Rubbia (83)
Compton (23)
Einstein? (05)
CDF (95)
DESY (79)
Anderson (37)
Neddermeyer
Gell-Man
Zweig (64)
Friedman et al.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
46
Thiếu sót hiện nay
của Vật lý hạt cơ bản
Những vấn đề lớn của Vật lý hạt cơ bản :
Nguồn gốc khối lượng (cơ chế Higg, siêu đối xứng).
Bản chất của vật chất tối của vũ trụ (khối lượng neutrino ? hạt siêu đối xứng ? các thứ khác ?).
Vật chất nhiều hơn phản vật chất trong vũ trụ (liên quan vi phạm bất biến CP ? [Sakharov]).
Độ bền của vật chất (phân rã proton).
Lý thuyết thống nhất gồm cả hấp dẫn ? -> Lý thuyết dây ? Số chiều của vũ trụ ?
Particle Physics
Ha Noi July 2005
47
Thí nghiệm và dự án
Sinh ra meson B : BaBar (USA) và Belle (Japan) [nghiên cứu đầu tiên về vi phạm CP].
Thí nghiệm neutrinos : Super-Kamiokande (Japan), K2K (Japan), SNO (Canada), Minos (USA) [nghiên cứu về dao động các n, chứng tỏ n có khối lượng (mặc dù rất nhỏ)].
Chùm tia neutrinos (CGNS) giữa CERN và phòng thí nghiệm Gran Sasso (? 2005) [ nghiên cứu nm ? nt].
Thiết bị va chạm hadrons (LHC) (?s = 14 TeV). Chương trình quy mô chưa từng có được thực hiện bởi CERN (? 2007), liên kết với nhiều quốc gia trên trái đất và nhiều hãng công nghiệp [tìm kiếm hạt Higg và các hạt siêu đối xứng].
Particle Physics
Ha Noi July 2005
48
Các vấn đề quan trọng
Hai vấn đề thời sự :
Máy gia tốc LHC, tính hữu dụng với vật lý hạt cơ bản, các thách thức công nghệ liên quan đến LHC.
Mối liên hệ giữa Vật lý hạt cơ bản và vũ trụ học.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
49
Thiết bị va chạm hadron LHC tìm kiếm hạt Higgs và hạt siêu đối xứng
Số liệu của LEP chính xác đến mức (khối lượng Z0 được biết với độ chính xác 1/105) nhậy với các hiện tượng năng lượng rất cao : thí dụ mtop chính xác như phép đo đầu tiên ! Chúng ta có thể nghĩ rằng các hiện tượng mới sẽ xuất hiện tại năng lượng của LHC ?s = 14 TeV :
Tồn tại hạt Higgs, hạt siêu đối xứng.
LHC, các nghiên cứu bắt đầu từ 15 năm trước sẽ được đưa vào hoạt động năm 2007 và sẽ hoạt động ít nhất trong 15 năm.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
50
Các thách thức kỹ thuật
của thiết bị va chạm hadron LHC
Máy gia tốc
Năng lượng : hơn LEP 5 lần (hạt), 70 lần (chùm tia),
Luminosity : 100 lần các thiết bị va chạm khác (dn=L x s x dt)
5000 nam châm siêu dẫn (1.9K He siêu chẩy : trạm làm lạnh lớn nhất thế giới) gồm 1296 dipole 8,4 Tesla trên ~ 27 km, nhờ đó LHC tiêu thụ ít điện năng (năng lượng) hơn LEP.
Công nghệ phát hiện hạt
(pixel, hệ điện tử chịu bức xạ, DAQ, etc.) sử dụng trong bốn detector : ALICE, ATLAS, CMS và LHCb.
Các phương tiện tính toán (máy tính) và viễn thông.

Particle Physics
Ha Noi July 2005
51
Detector của LHC
ATLATS, ALICE, CMS, LHCb
CMS lµ hîp t¸c lín gåm h¬n 2000 nhµ vËt lý
Particle Physics
Ha Noi July 2005
52
Sự kiện mô phỏng trong CMS:
Higgs --> 4 muon
Va chạm của 2 proton :
Các hạt sinh ra để lại dấu vết trong các detector và người ta tái xây dựng quỹ đạo cũng như năng lượng các hạt để lại trong detector.
Các va chạm xảy ra với tần số 40 MHz (25 ns). Do năng lượng lớn, rất nhiều hạt được sinh ra.
-> cách thức thu thập và xử lý số liệu!
Particle Physics
Ha Noi July 2005
53
Thách thức trong ghi nhận và xử lý số liệu của LHC (1)
40 MHz (25 ns), 109 sự kiện trên giây -> 1 Peta (1015) Bytes trên giây ! Một detector của LHC phải xử lý số liệu số tương đương 100 lần tất cả các cuộc nói chuyện điện thoại trên thế giới, khi mọi người đều dùng điện thoại di động một lúc (1 điện thoại số = 1-2 KBytes/sec).
Tốc độ ghi nhận số liệu phải giảm xuống 1 hoặc 2 Giga (109) Bytes trên giây (hệ số giảm 106 !) có nghĩa :
Khả năng tinh toán on-line rất lớn để chọn sự kiện tốt (trigger), (1000 PC 2007, > 10 lần mạnh hơn hôm nay).
Khả năng lưu trữ số liệu lớn (2 Peta Bytes/năm !)
tương đương cột CD dài 3 km (600 MBytes/CD).
Particle Physics
Ha Noi July 2005
54
Thách thức trong ghi nhận và xử lý số liệu của LHC (2)
Việc phân tích số liệu để rút ra kết luận vật lý đòi hỏi công nghệ máy tính ngaỳ càng phát triển. Thí dụ : máy tính Nintendo 64 ngày nay = CRAY/XMP máy tính mạnh nhất của CERN (và của Châu Âu) vào cuối những năm 70. Người ta có thể không làm được điều đó với những công nghệ ngày nay ! (Phải tin vào các nhà vật lý !)
Cơ sở hạ tầng tin học đang phát triển cho phép dùng các ứng dụng mới dựa trên liên kết tốc độ cao giữa các cá nhân, các máy tính, các cơ sở dữ liệu, các thiết bị khoa học, v.v. (dự án GRID xem http://www.mkp.com/grids).
Để hiểu thêm về CERN : http://www.cern.ch
Particle Physics
Ha Noi July 2005
55
Vật lý hạt cơ bản
và vũ trũ học
Hội tụ hai ngành cơ bản của vật lý trong khuôn khổ lý thuyết Big Bang : một ngành với thế giới vi mô, nghành kia với thế giới vĩ mô.
Big Bang : hơn 1010 năm trước, vũ trụ bắt đầu từ một vụ nổ lớn tại một điểm đặc biệt của không-thời gian. Từ đó đến nay, vũ trụ không ngừng giãn nở.
Vũ trụ sơ khai gồm các hạt cơ bản và quá trình phát triển của vũ trụ được quyết định bởi các tương tác cơ bản giữa các hạt.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
56
Ba hiện tượng vũ trụ
Các thiên hà xa dần nhau với vận tốc tăng lên khi chúng càng xa nhau (E. Hubble, 1929) v = H.r với H = 100 h km s-1/Mpc (1 ? h ? 0.4) (1 Mpc = 3 x 106 năm ánh sáng),
Các nguyên tố nhẹ chiếm đa số (G. Gamov, ~1950). Các nguyên tố này được tổng hợp lúc nhiệt độ vũ trụ 109 K.
Bức xạ điện từ nền đẳng hướng 2.7 K (A. Penzias và R. Wilson, 1965). Đó là bức xạ điện từ tàn dư của giai đoạn vũ trụ nóng hơn; từ đó vũ trụ nguội đi khi giãn nở cho đến 2.7 K hiện nay.
Particle Physics
Ha Noi July 2005
57
Vụ nổ Big Bang
ý t­ëng :
Theo lý thuyÕt ®¹i thèng nhÊt GUT, t­¬ng t¸c ®iÖn tõ vµ t­¬ng t¸c yÕu chØ cã ®Æc tÝnh kh¸c nhau t¹i n¨ng l­îng thÊp.
Tån t¹i ng­ìng n¨ng l­îng, nhiÖt ®é, thêi gian (gi·n në).
Tương tác điện từ yếu
Khối lượng bosons: MW = 80 GeV, MZ = 91 GeV, Mg = 0 GeV
Nếu E >> MZ, thí dụ 104 GeV, -> khối lượng không quan trọng -> boson sinh ra như nhau -> đối xứng giữa hai tương tác điện từ và yếu.
Nếu E << MW, W và Z chỉ sinh ra như hạt ảo -> tương tác yếu tầm ngắn (nguyên lý bất định).
Particle Physics
Ha Noi July 2005
58
Vài giai đoạn
trong lý thuyết Big Bang
10-43 s , T ? 1032 K ? 1019 GeV, GUT (?) thống trị. Hạt và phản hạt bằng nhau, hủy và tạo cặp.
10-34 s , T ???????K? ???????GeV. GUT kết thúc. Vật chất nhiều hơn phản vật chất. Vi phạm CP.
10-10 s , T ? 1015 K ? 102 GeV Tách biệt tương tác điện từ và tương tác yếu. Proton, neutron được tạo nên trong trạng thái cân bằng :
ne + p <-> e+ + n
ne + n <-> e- + p
1 giây T ? 1010 K ? 1 MeV. Với T = 1 MeV, cân bằng giữa p và n bị phá hủy. Neutrons bị phân rã.
3 phút T ? ?8 x 108 K . Bắt đầu tổng hợp hạt nhân kéo dài trong vài giờ -> 25% He và 75% H.
105 năm T ???4000 K . Photon không còn đủ năng lượng để phá vỡ nguyên tử -> bức xạ tàn dư.
109 năm : thiên hà đầu tiên!
Particle Physics
Ha Noi July 2005
59
Nhiệt độ và thời gian sau BigBang
Particle Physics
Ha Noi July 2005
60
Vấn đề chưa được giải quyết
Sự dư thừa vật chất so với phản vật chất
Người ta cho rằng vào cuối giai đoạn GUT, vi phạm đối xứng C và CP (rất nhỏ) dẫn đến dư thừa vật chất so với phản vật chất.
Khối lượng tối của vũ trụ
ít hơn 10% khối lượng vũ trụ sáng. Phần 90% còn lại là gì?
Bây giờ chúng ta biết neutrino dao động, nghĩa là, trạng thái riêng khối lượng khác trạng thái riêng tương tác yếu : neutrino có khối lượng. Neutrino đóng góp bao nhiêu vào khối lượng tối?
Particle Physics
Ha Noi July 2005
61
Thay cho kết luận
Vật lý hạt cơ bản là ngành nghiên cứu�"cơ bản".
Electron được phát hiện cách đây một thế kỷ, cuộc sống ngày nay không thể thiếu electron :
Electron mang ánh sáng đến nhà ở, mang tiếng nói đến cho người thân, tạo hình trên màn ảnh TV.
Tuy nhiên, electron đầu tiên được nghiên cứu không phải vì các ứng dụng trên, mà chỉ thuần túy vì hiểu biết .
Không ai dám nói trước những ích lợi chúng ta có thể thu được từ những nghiên cứu cơ bản ?
Liệu có những đổi mới lien quan đến phát hiện các hạt W� và Z0?
Tuy nhiên, những dụng cụ dùng trong nghiên cứu cơ bản tìm thấy nhanh chóng các ứng dụng trong các lĩnh vực khác;
Thí dụ. : www, trị liệu hadron, chụp hình cắt lớp trong y học .