Lời nói đầu .
Vật lý hạt nhân là một nhánh quan trọng trong khoa học vật lý , nó chỉ ra những quan hệ tương tác giữa các hạt , phản hạt cùng những cấu thành khác trong thế giới hạt vi mô . Nhưng để hiểu được các ý nghĩa của chúng bằng việc sử dụng các công thức , ký hiệu toán học và các kiến thức vật lý cao cấp khác là cả một sự khó khăn với quảng đại quần chúng . Loạt bài sau đây gồm 20 đề tài được các tác giả là những nhà vật lý hạt hiện đang tham gia nghiên cứu về lĩnh vực này thể hiện qua những bài đăng rất thú vị . Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .
Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 18/08/2013.
Đường dẫn :
Bài 1 . Sơ đồ Feynman .
Bài 2 . Nhiều sơ đồ FEYNMAN hơn nữa .
Bài 3 . QED + μ giới thiệu về muon .
Bài 4 . Boson Z và sự cộng hưởng .
Bài 5 . Các chàng ngự lâm Neutrinos .
Bài 6 . Tí hon boson W - làm rối tung mọi thứ .
Bài 7 . Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị .
Bài 8 . Thế giới của keo .
Bài 9 . QCD và sự giam hãm .
Bài 10 . Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn .
Bài 9 . QCD và sự giam hãm .
9.1 Sự giam hãm .
Đến nay chúng ta đã gặp gỡ các quark và gluon , đồng thời mô tả cách chúng tương tác với các thành phần khác của Mô hình Chuẩn đó là : cách thức mà chúng nói chuyện với các lepton và boson gauge ( như photon , W , Z) mà các bạn đã gặp trong phần còn lại của loạt bài về sơ đồ Feynman . Chúng ta sẽ phải đặt vấn đề này xa hơn một chút , vì vẫn còn khá nhiều điều để nói về các " vấn đề cơ bản " của QCD :
" Các mức năng lượng cao của các hạt tự do ( quark và gluon ) không phải là những gì chúng ta thấy ở mức năng lượng thấp ( hadron ) . "
Máy va chạm như LHC đập các proton lại với nhau ở mức năng lượng cao để có những sự tương tác giống như giữa các quark và gluon . Cùng lúc các quark và gluon phân tán vào các máy dò của LHC , tuy nhiên, bây giờ chúng lại tự đưa mình vào trạng thái hadronic ràng buộc . Đây chính là hiện tượng của sự giam hãm .
Bước đầu để trình bày về hiện tượng này rất khó khăn, chúng ta có thể suy nghĩ về cách proton và electron đang bị ràng buộc vào các nguyên tử hydro . Ở đây, điện thế thu hút proton và electron với nhau. Chúng ta có thể minh họa những dòng điện trường như thế này:
Bước đầu để trình bày về hiện tượng này rất khó khăn, chúng ta có thể suy nghĩ về cách proton và electron đang bị ràng buộc vào các nguyên tử hydro . Ở đây, điện thế thu hút proton và electron với nhau. Chúng ta có thể minh họa những dòng điện trường như thế này:
Những dòng này giống như mô hình của mạt sắt gần một thanh nam châm. Các dòng điện trường, tất nhiên, chỉ là một tác động vĩ mô được thành lập bởi rất nhiều và rất nhiều photon, nhưng chúng ta đang ở trong một chế độ có thể được tự bào chữa cho việc áp dụng sự xấp xỉ "bán cổ điển". Trong thực tế, các bạn cũng có thể vẽ các đường tương tự cho lực hấp dẫn. Chúng đều là những biểu hiện của các thế đối xứng tâm 1 / r. Chúng ta có thể cố gắng mở rộng khái niệm này tương tự cho QCD. Thay vì một proton và điện tử thu hút bởi lực điện, hãy vẽ một quark lên (u) và một quark xuống (d) bị thu hút bởi lực sắc (chromodynamic) .
Nhưng hãy đợi một chút ! Thật ra không có những điều như vậy cho một cấu hình vĩ mô của gluon! Chúng ta chưa bao giờ nói về sắc động lực cổ điển tầm xa cả .
Thế thì cái gì đó là sai lầm đối với hình ảnh này ? Chúng ta có thể dự đoán rằng các luật về sắc động lực có lẽ mang một hình thức khác so với bình thường V (r) ~ thế năng 1 / r đối với lực điện và lực hấp dẫn . Đây là một bước đi đúng hướng đấy các bạn . Trong thực tế, thế sắc động là tuyến tính : V (r) ~ r chứ không phải là 1 / r .. Nhưng tất cả điều này có nghĩa là gì ?
Cũng cần nói thêm , dạng thế năng thường được gọi là pha của lý thuyết . Các thế "bình thường" 1 / r mà chúng ta đang sử dụng trong vật lý cổ điển được gọi là pha Coulomb. Ở đây chúng ta sẽ giải thích lý do tại sao mà QCD lại được gọi là thuộc về pha giam hãm . Vui một chút , chúng ta hãy đề cập đến một dạng khác của pha được gọi là pha Higgs, trong đó mô tả các lực yếu và có liên quan đến việc tạo ra khối lượng fermion.
Được rồi , chúng ta đã chỉ ám chỉ đến một loạt các thuật ngữ vật lý. và vì vậy có thể làm tốt hơn nhiều . Câu hỏi chính chúng ta muốn được trả lời là : QCD khác với lực điện như thế nào ? Vâng, những điều chúng ta biết về điện là có thể kéo một electron ra khỏi sự cuốn hút từ proton của nó. Tương tự như vậy, một vệ tinh quay quanh trái đất có thể bật hệ cơ đẩy của nó và thoát ra khỏi hệ thống năng lượng mặt trời . Đây là sự khác biệt chính giữa điện (và trọng lực) với QCD. Khi chúng ta kéo electron ra xa proton, thì các dòng điện trường gần proton sẽ hoàn toàn "quên" về điện tử của nó . (Cuối cùng, tất cả các dòng điện trường tiến gần với điện tử, nhưng chúng sẽ yếu đi .)
9.2 Sắc động lực lượng tử đã nói gì .
Nhưng QCD thì khác hẳn . Khi chúng ta kéo các quark ra , năng lượng được lưu trữ trong trường gluon bắt đầu lớn dần lên . Sự sai biệt thế sẽ lớn hơn và ta lại phải mất nhiều năng lượng hơn để làm cho những quark tách ra, hoạt động này có một cái gì đó giống như một lò xo cơ học .
Vì vậy, chúng ta hãy thử tưởng tượng kéo các quark ngoài càng ngày càng xa hơn xem sao . Bạn có thể hình dung xem sự đau khổ trên khuôn mặt của chúng ta như thế nào khi đang đặt tất cả sức mạnh của mình vào việc cố gắng để kéo hai hạt quark ra ngoài nhau . Thế nhưng từng centimet mà chúng ta kéo ra lại tích chứa thêm năng lượng nhiều hơn nữa trong trường gluon .
Đến đây những điều thực sự xảy ra là cơ học lượng tử sẽ bắt đầu bước vào cuộc chơi này . Tại một số điểm, khi chúng ta đang kéo các hạt quark ra ngoài nhau , năng lượng trong trường gluon trở nên lớn hơn so với năng lượng khối của một cặp quark- phản quark. Do đó thật là thuận lợi cho các gluon sản sinh ra một cặp quark-phản quark như sau đây :
Từ phác họa ở trên, sự sản sinh cặp này sẽ làm giảm năng lượng trong trường gluon. Nói cách khác , chúng ta đã chuyển đổi một ống thông lượng dài thành hai ống thông lượng ngắn hơn. Tuy nhiên, các bạn cũng có thể nói rằng đây là ý tưởng về cặp (cơ học lượng tử) quark / phản- quark ảo bùng nổ trong và ngoài của chân không, xuất hiện và sau đó tiêu hủy đi một cách tự nhiên . Khi năng lượng trong trường gluon trở nên rất lớn , các gluon có thể tách rời các cặp quark/ phản-quark trước khi chúng có thể tiêu diệt , do đó tạo ra các hạt quark vật lý ảo .
Đây là một cách ứng xử khác với QED rất đáng lưu ý , nơi mà chúng ta có thể kéo một electron ra và gửi nó đến một nơi xa khác . Trong QCD, bạn có thể bắt đầu với một meson (cặp quark-phản quark) và cố gắng tách các thành phần của nó . Tuy nhiên thay vì có thể làm điều này , bạn đã vô tình phá vỡ các meson không phải thành hai quark, nhưng lại biến thành hai meson. Bởi vì điều này, ở mức năng lượng thấp người ta không thể quan sát các hạt quark riêng lẻ , chúng ngay lập tức giam hãm (hoặc hadron hóa ) thành các trạng thái hadronic bị ràng buộc .
Ý tưởng về sự giam hãm đã làm cho mô hình quark trở nên rất khó nuốt khi lần đầu tiên được đề xuất : việc sử dụng một mô hình như vậy có ích lợi gì nếu một trong những dự đoán là chúng ta lại không thể quan sát các thành phần riêng lẻ ? Thật vậy, trong một thời gian dài người ta nghĩ về mô hình quark chỉ như là một thuật toán thuần túy để xác định mối quan hệ giữa các hadron - và " quark " tự thân chúng không phải là vật chất .
Mặt khác , hãy thử tưởng tượng , thật kỳ lạ làm sao về hiện tượng giam hãm này mà không có mô hình quark . Khi bạn cố gắng để tháo rời một meson , thay vì quan sát được đối tượng " nhỏ hơn " , bạn lại kết thúc bằng cách kéo ra hai phiên bản của cùng một loại đối tượng !
Làm thế nào chúng ta có thể nghĩ được rằng bên trong một meson là hai meson ? Điều này giống như một con búp bê matryoshka của Nga , khi những con búp bê con mà lại có kích thước tương tự như những con búp bê mẹ ban đầu - làm thế nào chúng có thể phù hợp được cơ chứ ?
(Một phần của sự thất bại ở đây là do tính trực giác cổ điển ) Điều nhầm lẫn loại này dẫn đến việc xây dựng S - ma trận hay chương trình " bootstrap" trong thập niên 60 , khi mọi người nghĩ rằng để thay thế lý thuyết trường lượng tử bằng cái gì đó có tính " tổng hợp " hơn mà lại phân biệt hẳn với các hạt " cơ bản " đã bị bỏ rơi. Sự nổi lên của QCD cho thấy rằng điều này là sai hướng cho những vấn đề và cách tiếp cận "bảo thủ" về lý thuyết lượng tử , và nó đã có thể cung cấp cho một mô tả rất chính xác về vật lý cơ bản.
9.4 Lý thuyết dây .
Theo một nghĩa nào đó chương trình S - ma trận được xem như là một chú " cá trích đỏ " nổi tiếng trong lịch sử vật lý hạt . Tuy nhiên , đó là một ghi chú lịch sử kỳ lạ - và còn nhiều hơn như vậy - chú " cá trích đỏ " này đã kết thúc việc gieo trồng một số hạt giống cho sự phát triển của LÝ THUYẾT DÂY , mà ban đầu được phát triển để cố gắng giải thích về các hadron !
Các " ống thông lượng " ở trên có liên quan đến các " dây " trong lý thuyết dây sơ khai - này . Với sự ra đời của QCD , người nhận ra rằng lý thuyết dây không mô tả lực mạnh , nhưng dường như hàm chứa một số các thành phần cho một trong những " chén thánh " của vật lý lý thuyết , đó là lý thuyết về hấp dẫn lượng tử .
Trong những ngày đó lý thuyết DÂY được xem như là một "lý thuyết của tất cả mọi thứ TOE " vẫn còn lơ lửng trong không trung , vì nó chỉ ra rằng có một số vấn đề rất sâu và khó- trả -lời về các dự đoán của chính bản thân nó . Mặt khác , lý thuyết này đã đạt được một số tiến bộ rất đáng kể theo một định hướng khác hơn so với "lý thuyết cơ bản của tất cả mọi thứ " .
Để hiểu sơ lược về khái niệm mới này chúng ta xem qua những cơ sở được trình bày trên wikipedia . DÂY là khái niệm vật lý cơ bản chỉ vật thể một chiều mà các kiểu dao động khác nhau của nó hình thành các hạt cơ bản với các tính chất khác nhau. Mỗi hạt không phải như những phần tử không thể phân chia được, không có cấu trúc nội tại mà được hình dung như một vòng DÂY một chiều đóng kín.
Đây là một kiểu định nghĩa về lý thuyết dây khá mơ hồ và thậm chí có vẻ phức tạp . Trong các bài viết sau chúng ta sẽ có dịp bàn luận nhiều về những ý tưởng mới mẻ và đầy táo bạo này .
Đặc biệt, một ý tưởng được gọi là tương ứng AdS / CFT đã có tác động sâu sắc về cấu trúc của lý thuyết trường lượng tử độc lập , cho dù có hay không có ảnh hưởng , đến lý thuyết dây là "lý thuyết cuối cùng" .(Chúng ta sẽ không mô tả về những gì là tương ứng AdS / CFT là trong bài viết này, nhưng một phần của nó đã làm nên sự khác biệt giữa các trạng thái cơ bản và phức hợp ) . Một trong những điều chúng ta hy vọng trích xuất từ ý tưởng AdS / CFT là có được một cách thức để mô tả các lý thuyết được kết chặt với nhau, là có sự biện giải cho một cụm từ thích hợp cho sự giam hãm . Bằng cách tiếp cận này, một số nhánh nghiên cứu về lý thuyết dây bắt đầu đi tìm con đường trở về nguồn gốc hadronic của nó .
Đến đây chúng ta sẽ bàn luận đến vấn đề của quy mô năng lượng. Ở mức năng lượng cao, chúng ta đang thăm dò những hiện tượng vật lý trong khoảng cách ngắn để các " va chạm cứng" thực tế tại LHC không phải là giữa các proton , nhưng là quark và gluon . Mặt khác , ở mức năng lượng thấp các hạt " cơ bản " luôn luôn giới hạn thành các hạt " tổng hợp " như meson và đây là những trạng thái ổn định. Thật vậy, chúng ta có thể phá vỡ các quark và gluon ở mức năng lượng cao , nhưng những thứ QCD mà đạt được là việc các bộ phận bên ngoài của các máy dò thử nghiệm thu được chỉ là những thứ như meson .
 |
| Nguồn : http://www.technology.org/2013/04/05/upgrade-of-lhc-underway-paving-way-for-new-discoveries/ |
... Những gluon có thể sinh ra cặp quark / phản- quark
... điều mà tự chúng có thể sản sinh gluon
... Vv, vv
Tại mỗi bước , năng lượng của các hạt quark và gluon giảm đi , nhưng số lượng của các hạt tăng lên . Cuối cùng, với năng lượng mà các "quark tự do" như vậy không thể ngăn cản được tính chất cố hữu của chúng và buộc chúng phải hadron hóa . Tuy nhiên , bởi vì có rất nhiều , có rất nhiều các meson di chuyển trong khoang thông qua các máy dò - máy dò về bản chất là một khối vật chất dày đặc mà có thể đo được năng lượng gửi vào nó - và những gì nó thấy được là một " vòi sen " năng lượng theo một hướng cụ thể. Đây là những gì chúng ta gọi là một vòi phun năng lượng , và nó là dấu hiệu của một quark năng lượng cao hoặc gluon bị bắn ra theo một hướng cụ thể và cuối cùng hadron hóa . Đây là một hình ảnh mà chúng ta có đươc từ một cuộc nói chuyện CDF :
1.Hai proton va chạm đầu tiên ... theo cách mà chúng ta thực sự thấy rằng các quark và gluon bên trong proton tương tác nhau .
2. Quark năng lượng cao và gluon bắn ra quark / gluon khác và gia tăng số lượng .
3. Hoạt động này làm giảm năng lượng của chúng để cuối cùng các quark và gluon phải cô lập ( hadron hóa ) thành các meson .
4.... cái mà cuối cùng gửi hầu hết năng lượng của mình vào các máy dò ( nhiệt lượng kế ) .
Các vòi phun là sự chứng thực quan trọng tại các máy va chạm năng lượng cao và là một xử lý chính cho sự hiểu biết tương tác năng lượng cao mà chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn tại các LHC .
Để đo năng lượng và động lực của các quark năng lượng cao ban đầu , ví dụ , người ta phải có thể đo lường tất cả các năng lượng và động lượng từ tia phun các hạt trong các vòi phun , trong khi tính đến các vết nứt nhỏ giữa việc phát hiện các vật chất như cũng như bất kỳ các meson lén lút nào mà chúng có thể thoát khỏi sự phát hiện của máy dò .
Bây giờ bạn có thể ít nhất thấy được lý do tại sao rất khó khăn để trích xuất thông tin này . Đầu tiên , các hạt thực đang tương tác ở mức năng lượng cao khác với các hạt tồn tại ở mức năng lượng thấp. Thứ hai, ngay cả các hạt quark - gluon năng lượng cao cũng dẫn đến một sự xác nhận thực nghiệm rất lộn xộn đòi hỏi phải phân tích cẩn thận để trích xuất ngay cả những thông tin "cơ bản" về hạt ban đầu.
Theo FLIP TANEDO | USLHC | USA
9.6 Sự giam hãm .
a . Tổng quan .
< theo Bách khoa toàn thư mở Wikipedia >
Trong vật lý, giam hãm hay chế ngự ( confinement ) là một hiện tượng mà ở đó các quark không thể được cô lập. Các quark có sắc tích bị chế ngự cùng với các quark khác bởi tương tác mạnh để hình thành các cặp đôi hoặc cặp ba làm cho tổng sắc tích màu là trung hòa. Lực ở giữa các quark tăng lên mỗi khi chúng được tách ra xa, vì vậy không thể phát hiện ra được một quark đơn lẻ trong tự nhiên hay trong các thí nghiệm.
Việc các quark bị chế ngự vẫn chưa được chứng minh rõ ràng, chưa có một chứng minh toán học nào chỉ ra rằng các thuyết sắc động lực học lượng tử phải gắn liền với tính chế ngự, nhưng trực giác chỉ ra rằng tính chế ngự là do lực mang các gluon có sắc tích . Giống như việc các hạt điện tích mỗi khi tách xa nhau, điện trường giữa chúng giảm xuống một cách nhanh chóng, cho phép các electron ra khỏi hạt nhân. Tuy nhiên, mỗi khi 2 hạt quark được tách ra, các trường gluon hình thành các ống nhỏ (hay các dây) của sắc tích . Do vậy lực tạo bởi 2 hạt quark này trở nên lớn hơn mỗi khi chúng được tách ra xa. Do năng lượng lớn bằng lực nhân với khoảng cách, nên tổng năng lượng tăng một cách tuyến tính với khoảng cách V ~ r .
Khi 2 quark được tách ra xa, như nó từng xảy ra ở các va chạm trong các máy gia tốc hạt, tại một số thời điểm năng lượng của nó lớn đủ để thuận lợi cho việc tạo ra các cặp quark/phản quark "hiện" ra từ chân không hơn là làm cho các quark này tách ra xa nhau. Hậu quả của sự kiện này là khi các quark được tạo ra trong một máy gia tốc, thay vì nhìn thấy các quark ở trạng thái đơn, các nhà vật lý lại phát hiện thấy rất nhiều các hạt mang sắc tích trung hòa (meson và baryon), dính lại với nhau. Quá trình này được gọi là hadron hóa, là một trong những vấn đề mà các nhà vật lý hạt cảm thấy khó hiểu nhất.
Pha chế ngự thường được định nghĩa bởi sự hoạt động của vòng Wilson, là đường mà cặp quark-phản quark vạch ra trong không-thời gian, xuất hiện ở một điểm này và tan biến ở một điểm khác. Trong lý thuyết phi chế ngự, hoạt động của một vòng như vậy tỷ lệ thuận với chu vi của nó. Tuy nhiên, trong một thuyết chế ngự hoạt động của vòng này lại tỷ lệ thuận với diện tích của nó. Do diện tích luôn tỉ lệ thuận với quá trình tách rời của cặp quark-phản quark, các quark tự do đã bị trấn áp.
Bên cạnh mô hình QCD ở không gian 4 chiều, một mô hình có tính chế ngự khác là mô hình Schwinger.
Lý thuyết compact Abelian gauge lại miêu tả tính chế ngự này ở không-thời gian 2 và 3 chiều.
Xem : Confinement of Quarks
b. Nói thêm về sự giam sắc
Giam hãm màu, thường gọi đơn giản là giam sắc , là hiện tượng các hạt mang sắc tích (như hạt quark) không thể bị cô lập đơn lẻ , và do đó không thể quan sát trực tiếp. Các quark, theo mặc định, kết dính lại với nhau để tạo thành nhóm, hoặc các hadron . Hai loại hadron là meson (một quark- một phản quark) và các baryon (ba quark). Các quark thành phần trong một nhóm không thể tách rời khỏi hadron cha mẹ của chúng và đây là lý do tại sao các hạt quark không bao giờ có thể được nghiên cứu hoặc quan sát thấy trong bất kỳ cách trực tiếp nào hơn ở mức hadron.
Làm sao chúng ta có thể rất tự tin vào mô hình quark khi chưa từng có ai nhìn thấy một quark bị cô lập ? Có nhiều lý do tốt cho việc thiếu những quan sát trực tiếp . Rõ ràng sắc lực không tách ra với khoảng cách như các lực đã được quan sát khác . Lực sắc được mặc định rằng nó thực sự có thể làm tăng khoảng cách với với tỷ lệ khoảng 1 GeV / Fermi .
Một quark tự do không thể quan sát được bởi vì lúc phân tách là dựa trên quy mô khả kiến , năng lượng là lớn hơn rất nhiều so với năng lượng sinh ra cho cặp đôi quark- phản quark . Đối với các quark u và d khối lượng là 10MeV vì vậy việc sinh ra cặp sẽ xảy ra về khoảng cách ít hơn nhiều so với một Fermi . Bạn sẽ mong đợi rất nhiều vào các meson ( cặp quark- phản quark ) trong các thí nghiệm va chạm năng lượng cao và đó là những gì quan sát được .
Về cơ bản, bạn không thể nhìn thấy một quark bị cô lập vì lực sắc không để cho chúng tách ra , và năng lượng cần thiết để tách chúng sẽ sinh ra cặp quark- phản quark trước khi chúng có thể đủ xa cách nhau để chúng ta có thể quan sát chúng một cách riêng biệt .
 |
| Nguồn : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gluon_tube-color_confinement_animation.gif |
" Khi chúng ta cố gắng kéo một quark ra khỏi proton , ví dụ bằng cách đập các quark với một hạt năng lượng khác , các quark sẽ trải qua một hàng rào thế năng từ sự tương tác mạnh tăng theo khoảng cách . "
Như ví dụ về sự phân rã alpha chứng tỏ rằng , việc có một rào cản cao hơn so với năng lượng hạt sẽ không ngăn cản sự biến mất đi các hạt - Mô hỉnh đường hầm cơ lượng tử - cho xác suất hữu hạn một hạt alpha 6 MeV khi vượt qua một rào cản năng lượng cao 30 MeV . Nhưng hàng rào năng lượng cho các hạt alpha là đủ mỏng cho đường hầm để thu được hiệu quả . Trong trường hợp của các rào cản đối với quark thì khác hẳn , hàng rào năng lượng không tách khỏi khoảng cách , mà trong thực tế lại tăng lên .
+++++++++++++++++++++++++++
Nguồn :
1. http://www.quantumdiaries.org/2010/10/22/qcd-and-confinement/
2. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/quark.html
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Gluon
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Color_confinement
5. http://scienceblogs.com/startswithabang/2012/06/27/the-strong-force-for-beginners/
6. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/quark.html#c6
Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 28/11/2013.
-------------------------------------------------------------------------------------------
Hướng Chân Thiện Mỹ
Độc lập tư duy
Hoài nghi hợp lý
Tự do sáng tạo .
