Hiểu vật lý trong 60 giây - Bài 17 . Vật lý hạt cơ bản

Hiểu vật lý trong 60 giây - Bài 17 .  Vật lý hạt cơ bản 

Lời nói đầu .


Tạp chí Symmetry trình bày rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong Vật lý hiện đại với những ý tưởng , bài viết , công trình lý thuyết lẫn thực nghiệm của tập thể các nhà khoa học hàng đầu hiện nay trên thế giới . Chuyên mục " Hiểu biết Vật lý trong 60 giây " tổng hợp một số bài viết ngắn gọn , súc tích và đầy tính đột phá trong việc giải thích các cơ chế vật lý nhằm giúp người đọc dễ dàng tiếp cận những thông tin mới mẻ . Tác giả của những bài viết này hiện đang công tác tại các Trung tâm nghiên cứu , Viện Khoa học và các trường Đại học danh tiếng nên nguồn thông tin luôn được cập nhật thường xuyên .
 Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .




Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 05/05/2014.




 ------------------------------------------------------------------------------------------- 

  Vật lý hạt cơ bản 

Minh họa: Sandbox Studio


Vật lý chứng minh rằng các hiện tượng hàng ngày mà chúng ta đã có kinh nghiệm được điều chỉnh bởi các nguyên tắc phổ quát áp dụng cho thời gian và quy mô khoảng cách vượt xa kinh nghiệm của con người bình thường. Vật lý hạt cơ bản là một ngành nghiên cứu khoa học theo những nguyên tắc này. Những quy tắc gì chi phối năng lượng, vật chất, không gian, và thời gian ở cấp cơ bản nhất ? Làm thế nào là hiện tượng ở quy mô nhỏ nhất và lớn nhất của thời gian và khoảng cách có thể kết nối với nhau ?

Biểu diễn đồ họa của mô hình chuẩn . Spin , điện tích , khối lượng
và sự tham gia của các tương tác lực khác nhau được mô tả trên hình
- Nguồn  :  Wikipedia.org   

Phương pháp nghiên cứu 

Để giải quyết những câu hỏi này, các nhà vật lý hạt tìm cách cô lập, tạo ra, và xác định các tương tác cơ bản của các thành phần cơ bản nhất của vũ trụ. Một phương pháp tiếp cận là  tạo ra một chùm các hạt cơ bản trong một máy gia tốc và nghiên cứu hành vi của những hạt này - ví dụ , khi chúng va chạm vào một mảnh vật liệu hoặc khi chúng va chạm với một chùm hạt khác .

Các thí nghiệm khác khai thác các hạt xuất hiện một cách tự nhiên , bao gồm cả những hạt được tạo ra trong ánh nắng mặt trời hoặc do các tia vũ trụ va chạm bầu khí quyển của trái đất. Một số thí nghiệm liên quan đến việc nghiên cứu các vật liệu thông thường với số lượng lớn phân biệt các hiện tượng hiếm có hoặc tìm kiếm các hiện tượng chưa từng thấy. Tất cả những thí nghiệm đó đều dựa trên những máy dò hạt tinh vi có sử dụng một loạt các công nghệ tiên tiến để đo lường và ghi lại các tính chất hạt.

Những nhà vật lý hạt cũng sử dụng kết quả từ kính viễn vọng mặt đất và không gian để nghiên cứu hạt cơ bản và các lực chi phối sự tương tác của chúng. Các thí nghiệm này nêu bật tầm quan trọng ngày càng tăng của các điểm chung giữa vật lý hạt, thiên văn học, vật lý thiên văn, và vũ trụ học.

Trong thực tế, vật lý lượng tử dự đoán rằng chỉ có 18 loại hạt cơ bản (16 trong số đó đã được phát hiện bằng thực nghiệm ). Mục tiêu của vật lý hạt cơ bản là tiếp tục tìm kiếm các hạt còn lại.

Mô hình chuẩn của vật lý hạt

Mô hình chuẩn của vật lý hạt là cốt lõi của vật lý hiện đại. Trong mô hình này, ba trong số bốn lực cơ bản của vật lý được mô tả, cùng với các hạt trung hòa các lực này - đó là các boson gauge. (Về mặt kỹ thuật, trọng lực không được tính trong mô hình chuẩn, mặc dù các nhà vật lý lý thuyết hiện đang tích cực nghiên cứu mở rộng mô hình để bao gồm một lý thuyết lượng tử của trường hấp dẫn.)

Nhóm các hạt

Nếu có một điều mà các nhà vật lý hạt dường như chỉ để thưởng thức thì đó là sự phân chia các hạt thành các nhóm. Dưới đây là một vài trong số các nhóm đó chứa các hạt tồn tại trong thế giới các hạt cơ bản - Đây là các thành phần nhỏ nhất của vật chất và năng lượng, các hạt này dường như không còn được tạo ra từ sự kết hợp của các hạt nhỏ hơn nữa .

1. Nhóm Fermion - Fermion là những hạt có spin hạt bằng một giá trị bán nguyên (-1/2, 1/2, 3/2, vv). Những hạt này tạo nên vật chất mà chúng ta đang quan sát trong vũ trụ của chúng ta.
* Quark - Một lớp của fermion. Quark là những hạt cấu tạo nên các hadron như proton và neutron. Có 6 loại khác nhau của các hạt quark:

-Quark lên :  (ký hiệu u ) là quark thế hệ đầu tiên với các thuộc tính sau:
Isospin yếu: +1/2
Isospin ( I z ): +1/2
Điện tích (tỷ lệ theo e ): +2/3
Khối lượng (tính theo $MeV / c^2$ ): 1,5-4,0

-Quark xuống (ký hiệu d) là quark thế hệ đầu tiên với các thuộc tính sau:
Isospin yếu : -1/2
Isospin (Iz): -1/2
Điện tích (tỷ lệ theo e ):  -1/3
Khối lượng (tính theo $MeV / c^2$ ): 4 - 8

-Quark duyên  (ký hiệu c) là quark thế hệ thứ hai với các thuộc tính sau:
Isospin yếu : +1/2
Độ duyên Charm (C): 1
Điện tích (tỷ lệ theo e ):  +2/3
Khối lượng (tính theo $MeV / c^2$ ):  1150 - 1350

-Quark lạ  (ký hiệu c) là quark thế hệ thứ hai với các thuộc tính sau:
Isospin yếu : -1/2
Độ lạ Strangeness (S): -1
Điện tích (tỷ lệ theo e ): -1/3
Khối lượng (tính theo $MeV / c^2$ ): 80 - 130

-Quark đỉnh (ký hiệu t) là quark thế hệ thứ ba với các thuộc tính sau:
Isospin yếu : +1/2
Độ đỉnh Topness (T): 1
Điện tích (tỷ lệ theo e ): +2/3
Khối lượng (tính theo $MeV / c^2$ ): 170200 - 174800

-Quark đáy (ký hiệu b) là quark thế hệ thứ ba với các thuộc tính sau:
Isospin yếu : -1/2
Độ đáy Bottomness (B'): 1
Điện tích (tỷ lệ theo e ):  -1/3
Khối lượng (tính theo $MeV / c^2$ ): 4100 - 4400




*Lepton - Một lớp của fermion. Có 6 loại lepton:

-Điện tử (ký hiệu e - electron)  là một hạt cơ bản, nó không thể được chia thành các hạt nhỏ hơn. Electron có thể bị ràng buộc trong "đám mây điện tử" quanh một hạt nhân nguyên tử, hoặc có thể thoát khỏi đám mây như một "electron tự do."
Thông tin chi tiết
khối lượng của một electron ( $m_{e}$ ) = 9,2095 x 10 -31 kg
điện tích của một electron (- e ) = -1,602177 x 10 -19 C
năng lượng nghỉ electron ( $m_{e} c^2$ ) = 0,511 MeV
spin của electron = +1/2 hoặc -1/2

-Electron Neutrino   ( ký hiệu $ν_{e}$ ) là một hạt cơ bản hạ nguyên tử lepton không có điện tích . Cùng với các electron nó tạo ra thế hệ đầu tiên của các lepton, do đó tên của electron neutrino .
Thông tin chi tiết
Khối lượng  < 2.2 eV .
Điện tích : 0 e
Sắc tích :  Không
Spin 1⁄2
isospin yếu 1⁄2

-Muon ( ký hiệu $\mu ^ {-}$ ) là một hạt cơ bản , nó là một phần của mô hình chuẩn trong vật lý hạt. Muon là một loại hạt không ổn định thuộc họ lepton , tương tự như các electron nhưng có một khối lượng nặng hơn.
Thông tin chi tiết
Khối lượng :  105.6583 $MeV/c^2$
Thời gian tồn tại trung bình :  $2.1969811(22)×10^{−6} s$
Điện tích : −1 e
Sắc tích :  Không
Spin 1⁄2

-Muon Neutrino  (ký hiệu $\nu_{\mu}$) là một hạt cơ bản hạ nguyên tử họ lepton không có điện tích . Cùng với muon nó tạo ra thế hệ thứ hai của các lepton, do đó nó tên neutrino muon .
Thông tin chi tiết
Khối lượng :  < 170 keV
Điện tích : 0 e
Sắc tích :  Không
Spin 1⁄2
isospin yếu 1⁄2

-Tau  (ký hiệu  $τ^{-}$ ), cũng được gọi là lepton tau , hạt tau  hoặc tauon , là một hạt cơ bản tương tự như các electron, với điện tích âm và có spin là 1 / 2 . Cùng với các electron , các hạt muon , và ba neutrino , nó được xếp loại như một hạt trong họ lepton .
Thông tin chi tiết
Khối lượng :  $1776.82±0.16 MeV/c^2$
Điện tích :   −1 e
Sắc tích :  Không
Spin 1⁄2

-Tau Neutrino  (ký hiệu $\nu_{τ}$)  hay tauon neutrino là một hạt cơ bản hạ nguyên tử không có điện tích . Cùng với tau ,nó tạo nên thế hệ thứ ba của các lepton .
Thông tin chi tiết
Khối lượng :  < 15.5 MeV
Điện tích : 0 e
Sắc tích :  Không
Spin   1⁄2
isospin yếu  1⁄2

2. Nhóm Boson - Trong vật lý hạt,  boson là một loại hạt tuân theo các quy tắc thống kê Bose-Einstein. Những boson cũng có một lượng tử spin bằng bao gồm giá trị nguyên, chẳng hạn như 0, 1, -1, -2, 2, vv
Boson là đôi khi gọi là hạt lực, vì nó là các boson kiểm soát sự tương tác của các lực vật lý , chẳng hạn như lực điện và thậm chí có lực hấp dẫn của chính nó.

 Theo mô hình chuẩn của vật lý lượng tử, có một số boson cơ bản, không được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn. Điều này bao gồm các boson gauge cơ bản, các hạt sẽ trung hòa các lực cơ bản của vật lý (trừ trọng lực). Bốn boson gauge này có spin là 1 và tất cả đã được quan sát thực nghiệm :

*Photon - (ký hiệu $\gamma$) Được biết đến như là hạt của ánh sáng, các photon mang năng lượng điện từ  và hoạt động như các boson gauge trung hòa cho các lực của tương tác điện từ. Theo lý thuyết photon ánh sáng, một photon là một gói rời rạc (hay lượng tử ) của năng lượng điện từ (hay ánh sáng) . Các photon luôn luôn chuyển động, và trong chân không , chúng có một tốc độ không đổi của ánh sáng khả kiến  c = 2,998 x 10 8 m / s.
Thuộc tính cơ bản của photon :
-Các photon di chuyển với tốc độ ánh sáng , c = 2.9979 x 10 8 m / s trong không gian .
-Không có khối lượng (  < $1×10^{−18} eV/c^2 $ ) và năng lượng nghỉ.
-Điện tích : 0  (  < $ 1×10^{−35} e$ )
-Spin 1 .
-Mang năng lượng và động lượng , có liên quan đến tần số $\nu$ và bước sóng $\lambda$ của sóng điện từ bởi công thức $E = h \nu$ và $p = h /  \lambda $.
-Có thể bị phá hủy / tạo ra khi bức xạ được hấp thụ / phát ra.
-Có thể có tương tác giống như hạt (tức là va chạm) với các electron và các hạt khác, chẳng hạn như trong hiệu ứng Compton .

*Gluon - ( ký hiệu g )  là boson gauge trung hòa các lực hạt nhân mạnh bằng cách liên kết quark thuộc các loại khác nhau  , theo các quy luật của sắc động lực học lượng tử .Ngoài quark liên kết với nhau để tạo thành hạt hadron , gluon cũng cung cấp các lực để giữ các hadron lại với nhau. Cụ thể, gluon làm cho các proton và neutron gắn với nhau trong một hạt nhân nguyên tử, khắc phục cường độ của lực đẩy điện giữa các điện tích dương trong hạt nhân của nguyên tử.
Thuộc tính cơ bản của gluon :
Các loại : 8
Khối lượng :  $0 MeV/c^2$ (giá trị lý thuyết)
                     < $0.0002 eV/c^2$ (giới hạn thực nghiệm)
Điện tích: 0 e
Sắc tích    (8 loại độc lập tuyến tính )
Spin  1

* W Boson -  (ký hiệu W) Một trong hai loại boson gauge .W boson là một loại hạt cơ bản , cùng với các boson Z ,  trung hòa các lực hạt nhân yếu. Nó được gọi là boson bởi vì có một spin lượng tử có giá trị nguyên.
Thuộc tính cơ bản của W Boson :
Điện tích:  +/- 1 e
Phản hạt của một boson W là một boson W khác .
Khối lượng = 80,385 GeV / c 2
Spin   1

* Z Boson - (ký hiệu Z)  Một trong hai boson gauge tham gia trung hòa lực hạt nhân yếu.
Nó được gọi là boson bởi vì có một spin lượng tử có giá trị  nguyên.
Thuộc tính cơ bản của Z  Boson :
Điện tích:  0
Phản hạt của một boson Z là một boson Z khác.
Khối lượng :  $91.1876 GeV/c^2$
Spin   1

* Higgs Boson - (ký hiệu $H^0$) Theo mô hình chuẩn, không gian bao gồm trường Higgs , với một giá trị khác không ở tất cả các không gian. Có hai thành phần trung tính và hai thành phần điện tích trong trường này. Một trong hai thành phần trung tính và cả hai thành phần điện tích kết hợp để tạo ra các boson W và Z, là nguyên nhân tạo ra lực yếu, một trong những lực cơ bản của vật lý .
Thành phần điện tích trung hòa còn lại tạo ra hạt Higgs boson vô hướng, trong đó không có cả điện tích lẫn spin (vì vậy sinh ra nó theo thống kê Bose-Einstein , và làm cho nó thành một boson ). Điều này là rất quan trọng trong việc sử dụng các mô hình chuẩn để giải thích từ đâu có khối lượng của boson W và Z .
Thuộc tính cơ bản của Higgs  Boson :
Phát hiện tại  Large Hadron Collider (2011-2013)
Khối lượng 125.09±0.21 (stat.)±0.11 (syst.) $GeV/c^2$ (CMS+ATLAS)
Thời gian tồn tại trung bình $1.56×10^{−22}$ s (dự báo)
Phân rã thành
cặp quark đáy - phản quark đáy (dự báo)
2  W bosons (quan sát)
2  gluons (dự báo)
cặp tau-antitau  (quan sát)
2  Z-bosons (quan sát)
2  photons (quan sát)

Một số phân rã khác (dự báo)
Điện tích 0
Sắc tích 0
Spin 0 (xác định ở cấp độ 125 GeV)
Parity +1 (xác định ở cấp độ 125 GeV)

*Graviton - (ký hiệu G)  là một hạt lý thuyết chưa được phát hiện bằng thực nghiệm. Vì các lực cơ bản khác - điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu - tất cả đều được giải thích bằng một boson gauge trung hòa các lực , nên các nhà vật lý hạt đã cố gắng sử dụng các cơ chế tương tự để giải thích cho lực hấp dẫn. Kết quả là hạt lý thuyết là graviton ra đời , được dự báo sẽ có một giá trị lượng tử spin là 2.
Thuộc tính của graviton ( dự báo)
Hạt giả thuyết
Khối lượng :   0
Thời gian tồn tại trung bình : Ổn định
Điện tích: 0 e
Spin  2

*Boson siêu đối - Theo lý thuyết siêu đối xứng , mỗi fermion sẽ có một đối tác boson không bị phát hiện. Vì có 12 fermion cơ bản, điều này cho thấy rằng - nếu siêu đối xứng  có thật - thì sẽ có thêm 12 boson cơ bản chưa được phát hiện, có lẽ vì chúng rất không ổn định và đã phân hủy thành các dạng khác.



3. Hạt tổng hợp 
*Hadron - Các hạt được tạo thành từ nhiều quark liên kết với nhau.
Có thể xem hadron là một hạt hỗn hợp làm từ hạt quark trong trạng thái bị ràng buộc.Hadron có hai lớp: Baryon và meson . Baryon là các fermion trong khi meson là boson. Các baryon ( như proton , neutron ) được sinh ra từ 3 quark , các meson ( như pion ) được sinh ra từ một quark và một phản quark .
Baryon lại được chia tiếp thành các nucleon và hyperons. Các hadron nổi tiếng nhất là các proton và neutron .Trong số các hadron, proton là ổn định, và neutron bị ràng buộc trong hạt nhân nguyên tử là ổn định, trong khi các hadron khác là không ổn định trong điều kiện bình thường;  neutron tự do phân rã với chu kỳ bán rã khoảng 880 giây. Thực nghiệm, vật lý hadron được nghiên cứu bởi sự va chạm các proton hoặc hạt nhân của các nguyên tố nặng như chì, và phát hiện các mảnh vỡ trong các vòi phun hạt được sinh ra.

*Baryon (fermion)   là một loại hạt hỗn hợp làm từ ba quark liên kết với nhau bởi lực hạt nhân mạnh, một trong những bốn lực cơ bản của vật lý . Bởi vì chúng được làm từ các hạt quark, nên baryon là một hadron . Baryon là fermion, bởi vì chúng có giá trị lượng tử spin là bán nguyên , phân biệt với các meson là boson.

*Nucleon - gồm proton và neutron

*Hyperons - hạt có thời gian tồn tại ngắn ngủi gồm các quark lạ . Một hyperon là baryon bất kỳ có chứa một hoặc nhiều quark lạ , nhưng không có quark duyên dáng , quark đáy , hoặc quark đỉnh .
Vì là baryon, nên tất cả hyperon thuộc nhóm fermion . Điều này có nghĩa là, chúng có spin bán nguyên và tuân theo thống kê Fermi-Dirac . Tất cả hyperon tương tác thông qua các lực hạt nhân mạnh  , làm cho chúng trở thành một loại hadron . Hyperon bao gồm ba quark nhẹ , ít nhất là một trong số đó là một quark lạ , làm cho chúng thành các baryon lạ. Hyperon cũng phân rã yếu kèm với tính chất không bảo toàn chẵn lẻ .

Nguồn :   http://en.wikipedia.org/wiki/Hyperon

*Meson (boson)  - Trong vật lý hạt , meson là hạt hạ nguyên tử lớp hadron gồm một quark và một phản quark , ràng buộc với nhau bởi các tương tác mạnh . Bởi vì các meson gồm các tiểu hạt, nên chúng có một kích thước vật lý, với đường kính khoảng 2 / 3 kích thước của một proton hoặc neutron . Tất cả các meson là không ổn định, với thời gian sống lâu nhất kéo dài chỉ một vài phần trăm của một micro giây. Các meson tích điện phân rã (đôi khi thông qua các hạt trung gian) để tạo thành các electron và neutrino . Meson không tích điện có thể phân rã thành các photon .

Meson không được sản xuất bởi sự phân rã phóng xạ, nhưng xuất hiện trong tự nhiên chỉ có các sản phẩm có thời gian sống ngắn ngủi của tương tác năng lượng rất cao trong vật chất , ​​giữa các hạt làm bằng hạt quark. Ví dụ trong những tương tác tia vũ trụ ray, các hạt như vậy thường  là proton và neutron. Meson cũng thường được sản xuất nhân tạo trong máy gia tốc hạt năng lượng cao tạo ra va chạm proton, phản proton, hoặc các hạt khác.

Meson được phân loại thành các nhóm căn cứ theo isospin ( I ), tổng mômen động lượng ( J ), chẵn lẻ ( P ), G-parity ( G ) hoặc C-parity ( C ) khi áp dụng, và quark (q) . Các quy tắc để phân loại được xác định bởi các Nhóm Dữ liệu hạt , và được thay phức tạp. Các quy tắc được trình bày dưới đây, theo bảng mẫu cho đơn giản.

Các loại meson
Meson được phân loại thành các loại theo cấu hình spin của chúng. Một số cấu hình cụ thể có tên gọi rất đặc biệt dựa trên các tính chất toán học của cấu hình spin của chúng.

Nguồn   http://en.wikipedia.org/wiki/Meson

* Hạt nhân nguyên tử - proton và neutron tạo thành với nhau để tạo ra các hạt nhân nguyên tử
* Nguyên tử - Các khối xây dựng cơ bản của vật chất hóa học, các nguyên tử được cấu tạo từ các electron, proton, neutron
*Phân tử - Một cấu trúc phức tạp bao gồm nhiều nguyên tử liên kết với nhau. Các nghiên cứu về cách thức các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành các cấu trúc phân tử khác nhau là nền tảng của  hóa học  hiện đại.

Trích từ  :
Bản báo cáo về bản chất ẩn của không gian và thời gian: Mở đầu khóa học về Vật Lý Hạt cơ bản (2006),
Ủy ban về Vật lý hạt cơ bản trong thế kỷ thứ 21, Hội đồng nghiên cứu quốc gia.

 +++++++++++++++++++++++++++

Nguồn :
1. http://www.symmetrymagazine.org/article/junejuly-2006/explain-it-in-60-seconds
2. http://physics.about.com/od/atomsparticles/a/particles.htm/
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_particle
4. https://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2003/publish
5. http://education.web.cern.ch/education/Chapter2/Teaching/PP.html
6. http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/



Trần hồng Cơ
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 25/02/2015 .




-------------------------------------------------------------------------------------------

 Người có học biết mình ngu dốt. The learned man knows that he is ignorant.

 Victor Hugo.