Bài giảng Vật lý 1 - Chương 8b: Vật lý hạt cơ bản - Lê Quang Nguyên

Vật lý hạt cơ bản Lê Quang Nguyên www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com Nội dung 1. Các hạt dưới nguyên tử a. Mở đầu b. Các hadrons: baryons và mesons c. Các leptons d. Phản hạt 2. Máy gia tốc và máy dò hạt 3. Các hạt cơ bản 4. Hạt cơ bản và lịch sử vũ trụ 5. Câu hỏi trắc nghiệm 1a. Mở đầu • Cho đến nay chúng ta đã biết các hạt: – Photon γ – Electron e– – Proton p – Neutron n – π meson: π0, π+, π– – Electron-neutrino νe • Chúng ta cũng đã biết các phản hạt: – Positron e+ – Phản electron-neutrino e ν trong tương tác hạt nhân trong phân rã β– trong phân rã β+ 1a. Mở đầu (tt) • Cho đến nay các nhà khoa học đã tìm được trên 100 hạt dưới nguyên tử. • Mỗi hạt lại có phản hạt tương ứng. • Chúng ta cũng đã biết bốn loại tương tác, theo cường độ giảm dần: – Tương tác mạnh (hạt nhân) – Tương tác điện từ – Tương tác yếu (phân rã β) – Tương tác hấp dẫn Trong một số trường hợp, phản hạt trùng với hạt. Subatomic particles 1b. Các hadrons: baryons và mesons • Hadrons là những hạt thể hiện tương tác mạnh. • Chúng cũng có thể có các loại tương tác khác. • Hadrons được chia làm hai loại: – Baryons – Mesons • Các hadrons có thể mang điện dương, âm hay trung hòa. Tiếng Hy Lạp Hadron: mạnh Baryon: nặng Meson: trung bình 1b. Các baryons • Baryons là fermions. – n, p – Λ, Σ, Ω, Δ, Ξ ... • Số baryon B: là một số lượng tử gán cho mỗi baryon. – Các baryons có B = +1 – Phản hạt của chúng có B = –1 • Trong một phản ứng số baryon được bảo toàn. Fermions: các hạt có spin bán nguyên Nucleons Hyperons en p e ν −→ + + B: 1 = 1 + 0 + 0 Baryon phải xuất hiện từng cặp trong một phản ứng 1b. Các mesons • Mesons là bosons. – π, K, η, J/ψ, ρ,Υ ... • Mesons và các phản mesons đều có B = 0. Bosons: các hạt có spin nguyên p n pi +→ + B: 1 = 1 + 0 Meson có thể xuất hiện riêng lẻ trong một phản ứng 1c. Các leptons • Leptons là các fermions, có spin ½, rất nhẹ. • Không thể hiện tương tác mạnh. • Đặc trưng bởi số lepton L = 1, phản hạt có L = –1. Điện tích(e) –1 Tau τ– Lτ = 1 0 Tau neutrino ντ 3 –1 Muon μ– Lμ = 1 0 Muon neutrino νμ 2 –1 Electron e– Le = 1 0 Electron neutrino νe 1 Số lepton Lepton Thế hệ 1c. Các leptons (tt) • Số lepton của từng thế hệ bảo toàn trong một phản ứng. ee µµ ν ν− −→ + + Le: 0 = 1 – 1 + 0 Lμ: 1 = 0 + 0 + 1 Các lepton của mỗi thế hệ phải xuất hiện từng cặp 1d. Phản hạt • P. Dirac (1927) tiên đoán sự tồn tại của phản hạt khi mở rộng Cơ học lượng tử cho các hạt tương đối tính. • C. D. Anderson (1932) phát hiện phản hạt đầu tiên (positron) trong các tia vũ trụ. • Phản hạt có điện tích, số baryon, số lepton trái dấu, hay cũng có thể trùng với chính hạt. • Hiện tượng sinh và hủy cặp: e eγ − +→ + 2e e γ− ++ → Photon phân rã thành cặp hạt - phản hạt Cặp hạt - phản hạt biến mất, tạo ra 2 photon 2a. Máy gia tốc hạt • Các nhà khoa học tìm ra các hạt mới bằng cách: – Tìm kiếm trong các tia vũ trụ. – Cho các hạt năng lượng cao đến va chạm nhau trong các máy gia tốc hạt, tạo ra các hạt mới. • Trong máy gia tốc, các hạt được gia tốc bằng điện từ trường. • Máy gia tốc ở CERN, nơi phát hiện các bosons W và Z. • Mô phỏng hoạt động máy LHC ở CERN. 2b. Máy dò hạt • Các nhà khoa học dùng từ trường để xác định dấu của điện tích và động lượng của các hạt. • Máy dò muon CMS ở Fermilab. 3a. Các hạt cơ bản • Thực nghiệm đã xác nhận thuyết “Mô hình chuẩn”, theo đó tất cả được cấu tạo từ 12 hạt cơ bản và các phản hạt của chúng. • Các hạt cơ bản này có spin ½, gồm hai nhóm: – Nhóm leptons – Nhóm quarks • Chúng tương tác thông qua các bosons truyền: – tương tác điện từ: photon γ – tương tác yếu: bosons W–, W+, Z0 – truyền tương tác mạnh: gluons g 3b. 12 hạt cơ bản 3d. Các boson truyền tương tác 3e. Cấu tạo của các hadrons • Các baryons được cấu tạo từ ba hạt quarks. • Các phản baryons thì gồm ba phản quarks. • Các mesons được cấu tạo từ một quark và một phản quark. • Minh họa. Câu hỏi 1 Hạt nào sau đây xuất hiện trong phân rã beta để năng lượng và động lượng được bảo toàn? (a) alpha. (b) neutrino. (c) lepton. (d) proton. Trả lời câu hỏi 1 • Đó chính là hạt electron neutrino νe, xuất hiện cùng positron, • hay phản hạt của nó , xuất hiện cùng electron. • Câu trả lời đúng là (b). e ν e p n e ν+→ + + e n p e ν−→ + + Câu hỏi 2 Nhóm hạt nào sau đây không thể hiện tương tác mạnh? (a) Baryons. (b) Mesons. (c) Leptons. (d) Hadrons. Trả lời câu hỏi 2 • Các leptons không thể hiện tương tác mạnh. • Câu trả lời đúng là (c). Câu hỏi 3 Hạt nào sau đây thuộc nhóm hadrons? (a) Electron. (b) Proton. (c) Muon. (d) Tau. Trả lời câu hỏi 3 • Proton là một baryon thuộc nhóm hadrons. • Các hạt còn lại đều là leptons. • Câu trả lời đúng là (b). Câu 4 Hạt nào sau đây được cấu tạo từ một quark và một phản quark? (a) Electron. (b) Proton. (c) π meson (pion). (d) Neutron. Trả lời câu 4 • Pion là một meson, do một quark và một phản quark tạo nên. • Câu trả lời đúng là (c). Câu 5 Hạt Ξ– là một baryon có spin s = ½ và điện tích q = –1. Hạt này chứa hai quark lạ và nó là tổ hợp của ba quark. Đó là tổ hợp nào sau đây? (a) (ssd). (b) (sdu). (c) (usd). (d) (ssu). Trả lời câu 5 • Biết rằng điện tích của quark u là 2/3, quark d và s là –1/3, điện tích của các tổ hợp trên là: • Câu trả lời đúng là (a). Tổ hợp Điện tích (a) ssd –1/3 – 1/3 – 1/3 = –1 (b) sdu –1/3 – 1/3 + 2/3 = 0 (c) usd 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0 (d) ssu –1/3 – 1/3 + 2/3 = 0 Minh họa