SỰ KIỆN NOBEL VẬT LÝ 1995 potx

Perl và các cộng sự thông qua một loạt các thực nghiệm tiến hành từ năm 1974 đến năm 1977 tại Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford SLAC ở Mỹ đã phát hiện ra rằng electron có khối lượng n

GIẢI NOBEL VẬT LÝ 1995

Giải Nobel Vật lý năm 1995 được trao cho giáo sư người Mỹ Martin L Perl tại Đại học Stanford ở Stanford (California, Mỹ) “do phát minh ra lepton tau” và giáo sư người Mỹ Frederick Reines tại Đại học California ở Irvine (California, Mỹ)

“do khám phá ra neutrino” Hai nhà khoa học Mỹ đã có những đóng góp thực nghiệm mở đầu cho vật lý lepton

Loài người luôn luôn phải tìm lời giải đáp cho các câu hỏi mang tính triết học và vật lý như “vũ trụ bao gồm những cái gì?”, “Các thành phần nhỏ nhất của vũ trụ là gì và chúng có những tính chất như thế nào?”, “Chúng có thể cung cấp cho chúng ta điều gì về lịch sử của vũ trụ và tương lai của nó?”.v.v Perl và Reines đã phát hiện ra hai hạt cơ bản dưới nguyên tử đáng chú ý nhất của tự nhiên

Perl và các cộng sự thông qua một loạt các thực nghiệm tiến hành từ năm

1974 đến năm 1977 tại Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) ở Mỹ đã phát hiện ra rằng electron có khối lượng nặng hơn khoảng 3 500 lần so với một hạt gọi

là tau

Reines cùng với Clyde L Cowan trong những năm 1950 đã có những đóng góp mở đầu mà chúng dẫn đến chứng minh thực nghiệm của họ về sự tồn tại của phản neutrino của electron

Các nhà vật lý tin rằng toàn bộ vật chất như vật chất trong các cơ thể riêng của chúng ta bao gồm các quark và lepton Quark là hạt nặng và lepton là hạt nhẹ

Có hai loại quark mà chúng được coinhư các viên gạch xây dựng của hạt nhân nguyên tử Lepton ở bên ngoài hạt nhân nguyên tử và cũng gồm hai loại là electron

có điện tích và khối lượng đo được và neutrino không có điện tích và khối lượng

Họ quark-lepton này gồm bốn thành viên và đủ để cấu thành toàn bộ vật chất

trong vũ trụ hiện nay

Vũ trụ đã có một lịch sử lâu dài Trong các giai đoạn ban đầu của nó, các điều kiện cực kỳ khác với các điều kiện bây giờ Khi đó, nhiệt độ rất cao và mật độ năng lượng rất lớn Các điều kiện khí hậu thời tiết như thế đã làm nảy sinh các họ quark-lepton khác Nhờ các máy gia tốc, các nhà vật lý đã tái tạo trong những khoảng thời gian ngắn những điều kiện giống như những điều kiện trong các giai đoạn ban đầu của vũ trụ Trong những điều kiện như thế, có thể xuất hiện họ quark-lepton thứ hai và thậm chí cả họ quark-lepton thứ ba Chỉ có ba họ quark-lepton trong vũ trụ Các nhà vật lý đã chứng minh rằng không có họ thứ tư của các quark và lepton trong vật lý hạt cơ bản

Một loạt phát minh tạo ra nền tảng cho mô hình ba họ quark-lepton Hai trong số các phát minh này đã được nhận Giải Nobel Vật lý năm 1995 và đều liên

quan đến phát minh ra các lepton trong đó một lepton thuộc về họ quark-lepton thứ nhất và một lepton thuộc về họ quark-lepton thứ ba Cả hai phát minh này đưa

ra các câu trả lời cho các câu hỏi cơ bản và sâu sắc trong vật lý

Phát minh tau của Perl là dấu hiệu đầu tiên về sự tồn tại của “họ” thứ ba của các viên gạch xây dựng cơ bản Một vài năm sau đó, người ta phát hiện thấy một viên gạch xây dựng khác là quark đáy (bottom quark) - một trong hai quark của họ Không đến 18 năm sau, người ta phát hiện ra quark khác gọi là quarrk đỉnh (top quark) Sự tồn tại của họ thứ ba là rất quan trọng đối với lòng tin của các nhà vật lý

về mô hình lý thuyết hiện nay để hiểu các tính chất của các thành phần nhỏ nhất của tự nhiên Mô hình này được gọi là mô hình chuản Nếu không có họ thứ ba, mô hình chuẩn sẽ không hoàn chỉnh và không thể thừa nhận cái gọi là vi phạm điện tích (charge) và tính chẵn lẻ (parity) (gọi chung là vi phạm CP) Sự vi phạm CP là một nguyên lý đối xứng cơ bản mà nó chẳng hạn qui định sự phan rã hạt Nhờ phát hiện ra vi phạm này, Cronin và Fitch được trao Giải Nobel Vật lý năm 1980 Nếu phát hiện ra một họ thứ tư của các quark và lepton, điều này có nghĩa là mô hình chuẩn cần phải được xem xét lại và cần xây dựng lại vật lý hạt cơ bản một cách tổng quát hơn

Cùng với Clyde L Cowan về sau, Reines đã dò được neutrino - lepton chị em với electron trong họ quark-lepton thứ nhất thậm chí trước khi đua ra khái niệm

họ Phát minh này đã được chờ đợi từ lâu Trong gần 25 năm, các nhà vạt lý chờ đợi một người nào đó thực hiện được kỳ công này Trong lúc ấy, neutrino là một sự tưởng tượng của các nhà vật lý để “cứu vớt”định luật bảo toàn năng lượng trong các loại phân rã phóng xạ nào đó Nhưng dường như không thể xác minh sự tồn tại thực tế của neutrino

Quan sát neutrino đầu tiên của Reines và Cowan là một đóng góp mở dầu và đóng góp này mở ra vùng của các thực nghiệm neutrino “không thể làm được” Hiện nay, chúng ta đang cố gắng bẫy bắt các neutrino trong bức xạ vũ trụ Bức xạ này có thể có nguồn gốc trong Mặt Trời hoặc trong các vụ nổ sao Do buộc phải cho các neutrino phản ứng với hạt nhân nguyên tử để bắt chúng nên đòi hỏ các thể tích

máy dò rát lớn Trong lúc Reines và Cowan trong những năm 1950 dùng khoảng nửa mét khối nước trong máy dò của họ, các thực nghiệm phạm vi lớn trong

những năm 1990 dùng hàng nghìn nét khối nước Một số thực nghiệm thậm chí sử dụng biển hoặc băng bao quanh như là thể tích máy dò của chúng

Các cấu trúc nhỏ nhất của tự nhiên đã được nghiên cứu là 12 loại hạt vật chất gồm 6 loại quark và 6 loại lepton.Mỗi loại hạt đều có phản hạt của nó Phản hạt là một loại “ảnh gương” của hạt Tên của một hạt cũng bao hàm cả phản hạt của

nó Cũng như các quark và lepton này, có các loại hạt dưới nguyên tử khác gọi là các hạt lực vì chúng có trách nhiệm đối với ba loại lực cơ bản của tự nhiên là lực mạnh, lực điện từ và lực yếu Các lực hấp dẫn tác dụng ngoài phạm vi của của ba loại lực này Sự khác biệt cơ bản nhất giữa quark và lepton là ở chỗ lepton không bị ảnh hưởng của lực mạnh

Một tính chất đáng chú ý của các hạt vật chất là chúng thể hiện “tư cách họ (family affiliation)” Mô hình chuẩn gồm ba họ hạt cơ bản mà mỗi họ gồm 2 quark

và 2 lepton Họ thứ nhất gồm 2 quark u, d và 2 lepton e, n e Họ thứ hai gồm 2

quark c s và 2 lepton m , n m Họ thứ ba gồm 2 quark t, b và 2 lepton t , n t Bằng nhiều cách, ba họ này xử sự như các bản sao của nhau Đây có phải là một nguyên

lý cơ bản để chứng minh sự tồn tại chỉ của ba loại họ hay không? Đó là một trong các câu hỏi chưa có lời giải đáp trong vật lý

Các quark của họ thứ nhất là “quark lên (up quark) (u)” và “quark xuống (down quark) (d)” Họ thứ nhất có các lepton là electron (e) và neutrino electron (n e) Hai quark tạo thành các proton và neutron mà chúng tạo thành hạt nhân nguyên tử và do đó hơn 99% toàn bộ vật chất của Trái Đất Phần nhỏ còn lại là các electron Neutrino electron có thể được hình dung rất thô kệch như một electron

bị lấy mất điện tích và khối lượng Neutrino electron có khối lượng rất nhỏ không đáng kể hay không có khối lượng ? Đó là một câu hỏi khác chưa được giải đáp Reines và Cowan đã bắt được neutrino electron tại phòng thí nghiệm khoa học ở Los Alamos

Trong những năm 1960, nhiều nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thực

nghiệm mà một trong các mục đích của chúng là phát hiện ra các hạt tích điện mới trong đó có các lepton mới Một cách tiếp cận là tìm kiếm các hạt mới trong các sản phẩm của sự phân rã các hạt sẵn có như các kaon Một cách khác là cố gắng tạo ra các hạt mới trong một máy gia tốc chẳng hạn bằng các va chạm giữa các electron

có năng lượng cao và một bia Perl là thành viên của một nhóm nghiên cứu mà nhóm này đã tiến hành một thực nghiệm như thế tại SLAC năm 1966 Nhóm này không phát hiện thấy một lepton tích điện mới nào Năm 1973 một thiết bị mới được đưa vào hoạt dộng tại SLAC gọi là SPEAR Đó là một bộ va chạm electron-positron Đây là máy gia tốc mạnh nhất thế giới Một bộ va chạm như vậy là một ước mơ của người đi săn lepton Cơ chế sinh ra các lepton tích điện mới (X+, X-) khá đơn giản và dễ giải thích theo phản ứng electron + positron® X+ + X- Bộ va chạm SPEAR tạo cho Perl một cơ hội đặc biệt để tiếp tục việc tìm kiếm lepton mới trước đây của ông trong một vùng năng lượng mới và không thể có được trước đây

là 5 MeV (5 nghìn triệu electron von) Chỉ sau một năm, Perl và cộng sự phát hiện

ra một điều gì đó như là báo hiệu cho việc sinh ra một loại lepton mới và họ công

bố các kết quả nghiên cứu đầu tiên vào năm tiếp theo Sau đó một vài năm, họ mới

có thể tin chắc rằng họ đã thực sự phát hiện ra lepton mới Lepton mới này được đặt tên là lepton tau (t theo chữ Hy Lạp) Đây là thành viên đầu tiên của họ quark-lepton thứ ba (họ quark-quark-lepton cuối cùng)

Thực nghiệm của Perl và cộng sự đã ghi nhận các va mặt giữa các electron

và các phản hạt của chúng là các positron Đặt một máy dò hình trụ lớn vào trong một từ trường và từ trường này bao quanh vùng va chạm Máy dò gồm nhiều

thành phần trong đó có một số buồng tia lửa dây cùng với các máy đếm mưa

(shower counter) làm bằng các bộ nhấp nháy chì và một vài buồng tỷ lệ Chỉ báo đầu tiên về một hiện tượng mới khả dĩ là nhóm nghiên cứu quan sát thấy 24 sự kiện kiểu electrron + positron ® electron + phản muon + i.p hoặc electron +

positron ® positron + muon + i.p trong đó i.p là các hạt không nhìn thấy (các hạt rời đi mà không để lại vết trong máy dò) Do đó chỉ có một electtron (hoặc

positron)và một phản muon (hoặc muon) với dấu điện tích ngược lại được ghi lại

Khi áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, Perl và cộng sự nhận thấy rằng họ đã tạo ra ít nhất hai hạt không nhìn thấy

Một cách giải thích khả dĩ cho các sự kiện này là một cặp lepton nặng (sau

đó gọi là các hạt tau) đã được sinh ra trước tiên theo phản ứng electron +

positron ® tau + phản tau Nhưng các tau phân rã rất nhanh và các electron và muon quan sát được do đó được giải thích như là các sản phẩm phân rã từ các phản ứng tau ® electron (hoặc muon) + các neutrino và phản tau ® phản muon (hoặc positron) + các neutrino Các hạt không nhìn thấy là các neutrino Các hạt này thiếu sự nhạy cảm với môi trường xung quanh của chúng và biến mất mà

không để lại dấu vết nhìn thấy Trong một vết electron - muon điển hình từ máy dò SPEAR, hai lepton nặng phân rã trong phạm vi milimet từ điểm va chạm và không thể nhìn thấy được một cách trực tiếp Các neutrino cũng không nhìn thấy được Chỉ các hạt e và m tích điện có thể phát hiện được

Giả thuyết của Perl và cộng sự đã được kiểm tra trong một loạt quan sát mới qua nhiều năm Điều dần dần trở nên rõ ràng là hạt tau đã qua kiểm tra và bằng cách đó đáp ứng tất cả các đòi hỏi cần thiết của một hạt nặng hơn so với electron

và muon Giống như electron (e) có neutrino riêng của nó là neutrino electron(n e)

và muon (m ) có neutrino riêng của nó là neutrino muon(n m ), tau (t ) cũng có neutrino riêng của nó là neutrino tau (n t )

Hạt tau (hay lepton tau) là anh em họ hàng siêu nặng của electron Hạt tau cung cấp chìa khóa cho sự hiểu biết rõ ràng và đầy đủ về cấu trúc họ của các hạt cơ bản Neutrino tau là lepton chị em với tau và nó có thể giải thích cho sự biến mất một phần lớn khối lượng trong vũ trụ Nó đóng một vai trò quan trọng trong các vụ

nổ sao mới (supernova) và do đó trong vũ trụ Lepton tau tự nó có thể đặc biệt quan trọng trong việc kiểm tra các lý thuyết tương lai trong đó đề cập đến điều là làm thế nào vật chất có được tính chất mà chúng ta gọi là khối lượng

Neutrino “được sinh ra” như một hạt giả thuyết trong một lá thư do

Wolfgang Pauli - người được trao Giải Nobel Vật lý năm 1945 viết năm 1930 Vào

thời gian đó, người ta biết rằng nhiều hạt nhân nguyên tử kết thúc cuộc sống của chúng bằng cách phát ra một electron Quá trình này gọi là sự phân rã beta và nó làm cho các nhà nghiên cứu đau đầu vì một trong các định luật vật lý quan trọng nhất là định luật bảo toàn năng lượng dường như không áp dụng được cho nó Nói cách khác, dường như sự phân rã beta vi phạm định luật bảo toàn năng lượng Để giải quyết điều này, Pauli đề xuất ra điều mà ông gọi là một “giải pháp liều lĩnh” trong đó hạt nhân không phát ra riêng electron Electron được phát ra kèm theo hạt dưới nguyên tử khác Hạt này không có điện tích và phản ứng rất ít với môi trường của nó Pauli gọi hạt này là neutrino Hạt neutrino đóng góp một phần năng lượng trong sự phân rã beta và nó biến mất vào trong hư không mà không để lại dấu vết gì Nếu tính đến năng lượng của neutrino thì vẫn bảo đảm sự cân bằng năng lượng trong sự phân rã beta Pauli nghĩ ông đã đưa ra “một điều khủng

khiếp” khi đề xuất một hạt mà nó không thể nào bị phát hiện Ba thập kỷ sau khi Pauli đưa ra giả thuyết neutrino, Reines và Cowan đã đưa neutrino ra ánh sáng

Giả thuyết neutrino của Pauli có thể là “khủng khiếp” nhưng nó cũng cực kỳ hấp dẫn Nó đã “cứu vớt” định luật bảo toàn năng lượng và đồng thời giải quyết nhiều điều bí hiểm khác Enrrico Fermi (Giải Nobel Vật lý năm 1938) sử dụng giả thuyết neutrino để phát biểu một lý thuyết cho một trong các lực của tự nhiên là lực yếu Lý thuyết tuyệt vời này củng cố lòng tin lớn vào giả thuyết cho rằng

neutrino được sinh ra đồng thời với electron mỗi khi một hạt nhân phân rã qua sự phân rã beta Nhưng làm thế nào để chứng minh sự tồn tại của neutrino? Các nhà nghiên cứu Hans Bethe (Giải Nobel Vật lý năm 1967) và Rudolf Peierls đã đánh giá xác suất làm dừng các neutrino sinh ra trong sự phân rã beta của các hạt nhân phóng xạ và nhận thấy rằng nó nhỏ đến mức để bắt các neutrino này một cách có hiệu quả cần có một bia có bề dày bằng khoảng cách một vài năm ánh sáng Khi các

lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được xây dựng trong những năm 1940, Fermi là một trong những người nhận thức được rằng các lò phản ứng có thể sử dụng như các nguồn neutrino mạnh Người ta ước tính được rằng các lò phản ứng có khả năng cung cấp một dòng neutrino chừng 1012-1013 neutrino trên 1 cm2 và trong

1 giây Nguồn này cung cấp lượng neutrino lớn hơn nhiều bậc độ lớn so với lượng neutrino thu được từ các nguồn phóng xạ

Reines nhận thấy rằng một lò phản ứng hạt nhân cần phải phát ra những lượng neutrino lớn mặc dù không có ai chú ý đến chúng trước đó, Trong những năm 1950 ông và Cowan đã phát triển một phương pháp nhằm bắt ít nhất một ít trong số các hạt dưới nguyên tử khó bắt này Năm 1953 Reines và Cowan đề xuất một thực nghiệm lò phản ứng để bắt các neutrino Họ đã sử dụng phản ứng phản neutrino + proton ®neutron + positron Mặc dù lò phản ứng cung cấp các neutrino với cường độ lớn, họ hi vọng phản ứng này cho tốc độ đếm chậm sao cho có thể tiếp cận với giới hạn không thể Họ nhận rõ tầm quan trọng của việc ghi nhận cả neutron và positron để làm giảm nguy cơ của giải thích sai lầm Sau thực nghiệm đầu tiên tại lò phản ứng Hanford, Reines và Cowan đến làm việc tại Savannah

River Plant

Bia trong thực nghiệm của Reines và Cowan bao gồm gần 400 lít nước chứa clorua cadmi đặt giữa các máy dò chất lỏng lớn có thể nhấp nháy Diẽn biến của các

sự kiện đối với phản ứng xảy ra như sau Neutrino va chạm với một proton trong nướcvà sinh ra một positron và một neutron Positron được làm chậm bởi nước và

bị phá hủy cùng với một electron (vật chất gặp phản vật chất) Từ đó sinh ra hai photon (các hạt nhẹ) Chúng được ghi lại đồng thời trong hai máy dò Neutron cũng bị mất vận tốc ở trong nước và cuối cùng bị bắt bởi một hạt nhân cadmi Từ

đó cũng sinh ra các photon Các photon này tiến đến các máy dò sau 1 micro giây hoặc lâu hơn so với các photon phát ra từ sự phá hủy positron Chúng cung cấp chứng minh về sự bẫy neutrino Có những cuộc đấu tranh với tốc độ đếm chậm và bức xạ nền cao Trong thực nghiệm, một ít sự kiện ghi được sau hàng giờ Tuy nhiên, Reines và Cowan đã thực hiện được kỳ công khi tiếp cận được điều không thể Họ đã chứng minh được sự tồn tại của neutrino Phát minh này là một mốc lịch

sử của vật lý hiện đại Nó mở ra con đường hướng tới một lĩnh vực nghiên cứu mới quan trọng là vật lý neutrino Reines cũng đóng vai trò quyết định trong những giai đoạn phát triển tiếp theo của nghiên cứu này

Martin L Perl sinh năm 1927 tại New York (Mỹ) Ông là công dân Mỹ Perl bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý năm 1955 tại Đại học Columbia Ông là viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ Perl là giáo sư tại Trung tâm máy gia tốc thẳng

Stanford ở Đại học Stanford

Fređẻick Reines sinh năm 1918 tại Paterson (New Jersey, Mỹ) Ông là công dân Mỹ Reines bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý năm 1944 tại Đại học New York Ông là viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ và viện sĩ nước ngoài Viện Hàn lâm Khoa học Nga Reines là giáo sư tại khoa Vật lý của Đại học California ở Irvine