Tài liệu tập huấn 12 Hạt cơ bản

1
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
2
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
3
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.
4
5
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
6
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
7
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....
8
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.
9
2. Phân loại hạt cơ bản
10
- 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:
11
Hạt boson: spin nguyên
Hạt fermion: spin bán nguyên
* Phân loại theo spin
Hạt truyền tương tác là các boson.
12
BẢNG PHÂN LOẠI HẠT CƠ BẢN
13
14
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
15
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
16
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.
17
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
18
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
19
Đa số là hạt không bền (cộng hưởng): khoảng vài trăm hạt.
Một ít bền như p, e, pozitron, neutrino, gamma.
20
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”.
21
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.
22
Sự huỷ hạt
23
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
24
-  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
25
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
26
27
3. Các đặc trưng của hạt cơ bản
3.7 Lepton tích
28
Số lepton thế hệ:
29
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