Sử dụng máy gia tốc hạt để nghiên cứu hạt nhân và tìm ra một số hạt cơ bản

ELSA PhysikalischesInstitutderUniversitä ISISneutronsour ce RutherfordAppletonLaboratory,Didcot,O x on Nănglượngcaokhitiaprotonđượcvậnhành accelerator Electronsphâncực... Tevatron Fermil

Saumộtthờig i a n l à m v i ệ c n g h i ê m t ú c , khẩntrươngđ ế n n a y đềt à i k

h ó a luậntốtnghiệpcủaemđãhoànthành.Trongthờigiannghiêncứuemđãđượcsựgiúpđỡtậntìnhcủagiảngviên– Th.sHoàngPhúcHuấn–

ngườitrựctiếphướngdẫ n emlàmđềt à i nàycùngcácthầycôtrongk h oa VậtLí,đ ặ cbiệtlàtổVậtLýlýthuyếttrườngĐạihọcSưphạmHàNội2vàcácbạnsinhviênkhoaVậtLý

Emx i n trântrọngc ả m ơ n cáct h ầ y g i á o , côgiáotrongkhoaVậtLýtrườngĐạihọcSưphạmHàNội2,cùnggiađình,bạnbèđãđộngviênkhíchl ệ vàgiúpđỡemtrongsuốtquátrìnhhọctậpvàhoànthànhkhóaluậnnày

Sinhviênthựchiện

PhạmThịTâm

Tôix i n c a m đ o a n khóaluậnt ố t nghiệp“Sửdụngm á y giat ố c h ạ t đển g h i

ê n cứuhạtnhânvàtìmramộtsốhạtcơbản”,đâylàkhóaluậntốtnghiệpcủabảnthân.T

ấtcảnhữngthôngtinthamkhảodùngtrongkhóaluậnlấytừc á c côngtrìnhnghiêncứucóliênquanđềuđượcnêurõnguồngốctrongdanhmụct à i liệut h a m khảo.C á c k ế t

q u ả nghiêncứuđ ư a r a trongk h ó a luậntốtn g h i ệ p làhoàntoàntrungthực

Ngày tháng

năm2013TÁCGIẢ

PhạmThịTâm

MỞĐẦU 1

CHƯƠNG1:MÁYGIATỐC 3

1.1 Địnhnghĩamáygiatốchạt 3

1.2 Phân loạimáygiatốchạt 3

1.3 Máygiatốchạtđầutiên 4

1.4 Mộtsốmáygiatốchiệnnay 6

CHƯƠNG2:VAITRÒCỦAMÁYGIATỐC 17

2.1 Tìmhạtcơbản 17

2.2 Phản vậtchất 24

2.3 Chứngminh thựcnghiệm 27

2.4 Mộtsốhìnhảnhvềmáygiatốchạt 28

CHƯƠNG3:SỬDỤNGMÁYGIATỐCHẠTĐỂTÌMRAMỘT SỐHẠTCƠBẢN 30

3.1 Địnhnghĩa 30

3.2 Giớithiệuchung 30

3.3 Mụcđích 31

3.4 Thiếtkếvàvậnhành 33

3.5 Bộphântích 36

3.6 Quátrìnhhoạtđộng 39

3.7 Chi phí 40

3.8 Thôngtin 41

3.9 SựantoàncủaLHC 41

3.10 Tìmmộtsốhạtcơbản 43

KẾTLUẬN 46

TÀILIỆUTHAMKHẢO 47

Côngcụchínhđểtạoraphảnứnghạtn h â n chínhl à máyg i a t ố c Máyg i a t ố c l à thiếtbịd ù n g điệntrườngh a y cảđ i ệ n trườngv à từtrườngđểt ă n g tốcc á c hạtmangđiệntích.Máygiatốcđượcpháttriểnnhờnhữngsángkiếnvềvậtlýhạtnhânvàvậtlýh ạtcơbảnxuấtpháttừnhữngkhátvọngkhámpháthếgiớitựnhiêncủaconngười.Tiếptheođómáygiatốcđượcxâydựngđãmởramộtlĩnhvựckhoahọcmáygiat ố c mới

đ a n xenv ớ i rấtnhiềuứngdụngcủamáyg ia tốc.Bênc ạ n h đómáygiatốccònđóngvaitròvôcùngquantrọng,nóđượcsửdụngtrongnghiêncứucáchạtsơcấp.LargeHadronColliderlàchiếcmáygiatốch ạ t hiệnđạilớnnhấtvàcungcấpgiatốcmạnhnhấttrênthếgiới,đượcthiếtkếđểtạovachạmtrựcdiệngiữacáctiaprotonvớiđộngnăngcựclớn.Mụcđ í c h chínhcủanólàphávỡnhữnggiớihạnvàmặcđịnhcủamôhìnhchuẩn-

nh ữn g lýthuyếtcơbảnhiệnthờicủavậtlýhạt.Trênlýthuyết,chiếcmáynàyđượccholàs ẽ chứngminhđượcs ự tồntạicủah ạ t Higgs,n h ữ n g kếtq u ả n g h i ê n cứutừchiếcmáynàycóthểchứngminhnhữngdựđoántừtrướccũngnhưnhữngliênkếtcònthiếutrongmôhìnhchuẩn,vàgiảithíchđượcnhữngh ạ t sơcấpkháccóđượcnhữngđặctínhnhưkhốilượngnhưthếnào.Vìcáclýdotrênt ô i chọnđềtài:“SỬDỤNGM Á Y G I ATỐCHẠTĐ Ể NGHIÊNCỨUHẠTNHÂNVÀTÌMRAMỘTSỐHẠTCƠBẢN"

2 Mụcđíchnghiêncứu

- Tìm hiểunguyênlý,cấutạo,hoạtđộngcủamáygiatốchạt

- Máygiatốchạtđượcsửdụngđểnghiêncứucáchạtsơcấp

NỘIDUNGCHƯƠN G1.MÁYGIATỐC

1.1 Địnhnghĩamáygiatốchạt

Thiếtbịdùngđiệntrườnghaycảđiệntrườngvàtừtrườngđểtăngtốcc á c hạttíchđiệnđềuđượcgọichunglàmáygiatốchạt

+V ì vậynguyênlýhoạtđộng,cấutạo,kíchthướccủacácmáygiatốcl à khácnhau.Máygiatốcđượcsửdụngtrongnhiềulĩnhvực

+Trongvậtlý,máygiatốcđóngvaitròđặcbiệtquantrọng,nóđượcsửdụngtrongnghiêncứucáchạtsơcấp

+Sựđadạngcủacácloạimáygiatốc,nănglượng,cườngđộvàchấtlượngcùngvớicácdònghạtthứcấpsinhratừchúngnhưbứcxạhãm,bứcxạđồngbộ,nơtron,mesons,các chùmhạtnhânphóngxạđã mởrộnglĩnhvứcứ n g dụngcủamáygiatốc

1.2 Phânloạimáygiatốchạt

Trongq u á trìnhđượcgiat ố c hạtcót h ế chuyểnđ ộ n g theoquỹđ ạ o thẳnghoặcquỹđạotròn.Trêncơsởtínhchấtcủaquỹđạongườitaphânra h a i loạimáygiatốc:

1.2.1 Máygiatốcthẳng

Máygiatốcthẳnglàloạimáygiatốccổ.MáygiatốcthẳngcổnhấtlàmáygiatốckiểuVi-do-ro-

erađờitừnăm1930:chochùmhạtmangđiệnđiquamộtdãynốitiếpcácmiềntrongđócóđiệntrường,cáchạtmangđiệnsẽđượctăngtốcnhờđiệntrường.Cuốicùng,cáchạtmangđiệncóthểcónănglượngkhoảngvàitrămMeV

Trongngànhvậtlýnghiêncứucấutrúcngườitathườngdùngphốihợpmáygiatốcthẳngvớimáygiatốcvòng.Mộtsốmáygiatốcthẳngcóthểkểđ ế n chiếcm á y c ủ

a Pháp,khánhthànhnăm1 9 5 8 , v à nhữngt h í n g h i ệ m đ ầ u ti ên đượctiếnhànhvàonăm1959

1.2.2 Máygiatốcvòng

Máygiatốcvònglàl o ạ i máygiatốct r o n g đócách ạ t c h u y ể n đ ộ n g theocácđườngvòng(hạtchuyểnđộngtheođường xoáyốctừtâmrangoàivớibánk í n hngàycàngt ă n g h o ặ c h ạ t c h u y ể n độngtheoc á c đ ư ờ n g trònc ó bánk í n h ngàycàngt ă n g vàluônl u ô n t i ế p xúcv ớ i nhautạim ộ t đ i ể m ) Đ ể buộccáchạtchuyểnđộngtheocácđườngvòng,ngườitadùngtừtrườngcủanamchâmcódạngthíchhợpđểuốncongquĩđạocủahạt.Cònđểtăngtốccáchạtthìngườitadùngđiệntrường

+Cóhaikiểumáygiatốcvòng:

● Kiểucyclotron:trongcáccyclotron,quỹđạocủacáchạttíchđiệnlàc á c đườngxoáyốcphẳng

● Kiểusynchrotron:t r o n g cácsynchrotron,q u ỹ đ ạ o củac á c h ạ t làđườngtròn,muốnquỹđạocủacáchạtlàđườngtrònngườitaphảidùngnhiềunamchâmcócảmứngtừkhácnhauvàbốtrítheothứtựcảmứngtừtăngdần.M ỗ i khihạtđượctăngtốcthìcảmứngtừcủatừtrườngphảităngtươngứngđểgiữchobánkínhcủaquỹđạokhôngđổi

1.3 Máygiatốchạtđầutiên

Cyclotronlàmộtdạngcủamáygiat ố c hạt.Cyclotrons:giatốcnhữngh ạ t tíchđiệndùngtầnsốcao.Mộttừtrườngthẳngđứnggâyrachohạttheohìnhxoắnốctrongmộtđườngtrònđểchúngđượcgiatốcnhiềulần

VàErnestLawrence,củaĐạihọcCalifornia,Berkeley,đượccôngnhậnvớicáimáyCyclotronđầutiênvàonăm1929

CơchếlàmviệccủaCyclotron

TrongCyclotron,các điệncựcđượcđặttrênốngchânkhông,mộttầnsốcaocungcấpchođiệncực“D”(hìnhchữD)hútvàđẩynhữnghạtđiệntíchnằmởtrungtâmcủatừtrường,cáchạtnàyđượcgiatốckhivượtxuyênquakhegiữahaicực.Từtrườngthẳngđứngcùngvớilựchútgiữanguyêntửvớinguyêntửlàm

tăngchuyểnđộngcủahạttrênđườngxoắnốc

Hình1.1SơđồcủaCyclotron Hình1.2Buồnggiatốccủa

Cyclotron

Nếukhôngthayđ ổ i nănglượngnhữnghạtt í c h điệntrongmộttừtrườngs ẽ đitheomộtđườngt r ò n TrongCyclotron,n ă n g lượngđượccungc ấ p chohạtmangđiệnkhichúngvượtquakhoảnggiữa“D”vàvìvậychúngđượcgiatốcvàsẽtăngkhốilượngkhimàchúngtiếndầnđếnnănglượngánhs á n g C ả haihiệuứng(tăngvậntốcvàtăngkhốilượng)sẽtăngbánkínhcủahìnhtrònvàvìvậyđườngđisẽ

làmộtđườngxoắnốc

(Nhữnghạtđiệntíchchuyểnđộngtrênmộtđườngxoắnốc,bởivìdòngđ i ệ n củaelectronhoặcion,phunthẳngđếnmộttừtrường.Nhữnghạtđiệnt í c h chuyểnđộngtựdotrongchânkhông,vìvậynhữnghạtđiệntíchphunramộtđườngxoắnốc.)

Bánk í n h sẽtăngc h o đ ế n khibắnmụct i ê u n ằ m trênc h u vic ủ a ốngc h â nkhông.Nhữngv ậ t chấtk h á c cóthểđượcdùnglàmmụctiêu,v à s ự vachạmsẽtạonhữnghạtđiệnt í c h t h ứ yếucáimàc ó thểđượcd ẫ n rangoàiCyclotronvàđiđếndụngcụphântích.Kếtquảsẽchophéptínhtoánnhữngt h u ộ c tínhkhácnhau,nhưlàkhoảngcáchgi ữa cácnguyênt ử vànhữngsảnp h ẩ m vachạmkhác

MụcđíchcủaCyclotron

Trongv à i thậpkỉ,Cyclotronl à cáinguồntốtnhấtcủanhữngc h ù m n ă n g lượngcaocủathínghiệmvậtlýhạtnhânhoặccóthểdungđểbắnphác á c nguyêntửkhácđểtìmracáchạtđồngvị.VàiCyclotronthìvẫndùngchon g h i ê n cứuxem

xétungthưvàdiệtcáckhốiuáctínhbằngxạtrị

Độngnăng

Kiểmchứngđượckháiniệm

Khámphávàkiểmchứngtươngt á c củahạtDeuteron

Khámphár a cácchấtđồngvị

Khámphár a cácchấtđồngvị

Nghiêncứusựtáchbiệttrênđ ồ n g vịurani

ĐượcsửdụngđểđồngvịriêngbiệtchocácdựánManhattan

Máygiat ố c đầut i ê n xâydựng tạiLawrenceBerkeleyN a t i o n a l Laboratory,sauđóđượcbiếtnhưlàBerkeleyRadiationLaboratory

Mộtsốmáygiatốccổkhác:

bứu

Protonsandantiprotons

400GeV(until1979),150GeVthereafter

ELSA

PhysikalischesInstitutderUniversitä

ISISneutronsour

ce

RutherfordAppletonLaboratory,Didcot,O

x on

Nănglượngcaokhitiaprotonđượcvậnhành

accelerator

Electronsphâncực

Tevatron Fermilab 1978-present

SuperconductingCircularSynchrot

nh

Hìnhdạngvàchuvi

Nănglượngelectron

NănglượngPositron

Thínghiệm Khámphá

AdA

Frascati,Italy;Orsay,France

ởnge+e-(1964)

Princeton-Stanford(e-e-)

Stanford,California 1962-1967

2vòngtròn,

tronghiệuứngphátxạQED

sốlượnge+e-

VEPP-2,VEPP-2M

Novosibirsk,SovietUnion 1965-1999

Tròn,17.88m

700MeV 700MeV

OLYA,ND,CMD;SND,CMD-2

e+e >π(1966),e+e >γ(1971)

Aleph,Delphi,Opal,L3

Tươngtácyếu,

ARGUS,CrystalBall,DASP,PLUTO

SựdaođộngcủaBmesons

JADE,MARK-J,PLUTO,TASSO

khámphágluon

CESR CornellUn

iversity 1979-2002 tròn,768m 6GeV 6GeV

CUSB,CHESS,CLEO,CLEO-2,CLEO-2.5,CLEO-3

FirstobservationofBdecay,charmlessand"radiativepenguin"Bdecays

iversity 2002-2008 Tròn,768m 6GeV 6GeV

CHESS,CLEO-c

utrúcBmeson

utrúcBmesonVEPP-2000 Novosibirsk 2006- Tròn,24m 1.0GeV 1.0GeV

VEPP-4M Novosibirsk 1994- Tròn,366m 6.0GeV 6.0GeV

ctrometer

(IandII)DAΦNENE Frascati,Italy 1999- Tròn,98m 0.7GeV 0.7GeV KLOE

BeijingSpectrometerIII

Máygiatốc Vịtrí Nămvậnhành Dạngvàkíchthước Hạtvachạm Nănglượngc

ủatia

NhữngthínghiệmIntersectingStorag

nII Fermilab 2001-present Vòngtròn(6.3km)

Proton/

Antiproton 980GeV CDF,D0RHIC

proton+protonmode BNL 2000-present Vòngtròn(3.8km)

PolarizedProton/

Proton

100đến250GeV

PHENIX,STAR

Máygiat

ốc Vịtrí

Nămhoạtđộng

Dạngvàkíchthước

Nănglượngelectron

Hìnhdạngvàkíchthước Ionđượcdùng

Cu;d-Au;polarizedpp

Au-Au;Cu-0.1TeVpernucleon

STAR,PHENIX,Brahms,Phobos

2.1.2 Tínhchất

2.1.2.1 Khốilượngnghỉ

Khốilượngnghỉhaykhốilượngtĩnhcủamộtvậtlàkhốilượngcủavậtx é t trongmộthệquychiếumàtheohệđó,vậtlàđứngyên.Đạiđasốvậtchất,t r ừ phôtônvànơtrinô,đềucókhốilượngnghỉkháckhông

2.1.2.2 Thờigiantồntại

Cáchạtcơbảnđasốcóthểphânrãthànhcáchạtkhác.Thờigiansốngcủachúngdaođộngtừ10-6đến10-

24giây.

Mộtsốíthạtcơ bảnđược gọilàb ề n , cóthờigiansốngrấtlớn,cóthểcoilàbềnnhưelectron1022năm,prôtôn1 030năm.N g ư ờ i tanghiêncứuthờig i a n s ố n g củahạtc ơ bả

nt h ô n g q u a lýthuyếtxácsuất,dựatrênthờigianđểmộtsốlượngnhạtsơcấpphânrãchỉcònlại0,5nhạt

2.1.2.3 Điệntích

Mộtsốhạttrunghòavềđiệncóđiệntíchbằngkhôngnhưphôtônγvànơtrinôν.Mộtsốhạtkhácmangđiệntíchâmhoặcdương,vớitrịsốtuyệtđốiđ ề u bằngđiệntíchnguyêntốcủaelectron1,602x10-19C

2.1.2.4 Spin

Spinlàmộtkháiniệmtrongvậtlý,làbảnchấtcủamômenxunglượngvàlàmộthiệntượngcủacơhọclượngtửthuầntúy,khôngcùngvớinhữngsựtươngđồngtrongcơhọccổđiển

Trongcơhọccổđ i ể n , mômenx u n g lượngđượcp h á t triểntừxung

lượngchosựquaycủamộtvậtcókhốilượng,vàđượcbiểudiễnbằngcông

  

thứcL rp,nhưngspintrongcơhọclượngtửvẫntồntạiởmộthạtvới

khốilượngbằng0,bởivìspinlàbảnchấtnộitạicủahạtđó.Cáchạtcơbảnnhưelectroncóthểcóspinkhác0

2.1.2.5 Sốlạ

Sốlạlàđạilượngđặctrưnglượngtửcủacáchạtcơbản,đượcđưarakhinghiêncứuquátrìnhphânrãcủacáchạtmêzônK:K+,K0,vàhyperonΥ:Λ0,Σ+,Σ0,Σ-

Hầuhếtcáchạtcơbảnđềucóphảnhạt,riêngphotonthìkhông-phảncủ a photoncũngchínhlàphoton

Cáccặphạt-phảnhạt:

● Điệntửe Positrone+

● Neutronn–phảnneutronantinhay

● Protonphayp + -phảnproton hayp −

2.1.3 Phânloạicáchạtcơbản

2.1.3.1 HạtFemion

Cách ạ t fermionc ó s p i n b á n nguyên½ Mỗihạtfermionđềuc ó mộtphảnhạtriêng.Fermionlàhạtc ơ bảncấuthànhn ê n vậtchất.Chúngđượcphânloạidựatheo tươngtác trongthuyếts ắ c độnghọcphânt ử vàtheomôhìnhchuẩncó12hươngcủafermioncơbản,baogồm 6quarkvà6lepton

Vìc ó spinnửa nguyên,k h i mộtfermionq u a y 3 6 0 ° , hàms ó n g của

fermionsẽđổidấu.Đóđượcgọilàdáng

đi ệu hàmsóngphảnđ ố i xứngcủafermion.Điềun à y dẫnđếncácfermiontuântheothốngkêFermi-Dirac,hệquảcủanólànguyênlýloạitrừPauli-khôngcóhaifermionnàocóthểcùngc

h i ế m mộttrạngtháicơlượngtửvàocùngmộtthờiđiểm

CácLepton:

Lepton(tiếngHyLạplàλεπτόν)cónghĩalà"nhỏ"và"mỏng".Tênnàyc ó t r ư ớ

c k h i k h á m p h á racách ạ t t a u o n , mộtl o ạ i hạtleptonnặngcókhốilượnggấpđôikhốilượngcủaproton

Leptonlàhạtcóspinbánnguyên½,vàkhôngthamgiatrongtươngtácmạnh.Leptonhìnhthànhmộtnhómhạtcơbảnphânbiệtvớicácnhómgaugebosonvàquark

Có12loạileptonđượcbiếtđến,baogồm3loạihạtvậtchấtlàelectron,muonvàtauon,cùng3neutrinotươngứngvà6phảnhạtcủachúng.Tấtcả c á c leptonđiệntíchđềucóđiệntíchlà-

1hoặc+1(phụthuộcvàoviệcchúngl à hạthayphảnhạt)vàtấtcảcácneutrinocùngphảnneutrinođềucóđiệntíchtrunghòa.Sốleptonc ủ a cùngmộtloạiđ ư ợ c giữổnđịnhkhi

hiệu

Điệnt ích

Khốil ượng( MeV)

Electron /

Phảnelectro

n(positron)

−1 /+1 0,000511

Electronneutrino /Electronphảnneutrino

0 <0,000003

Phảnmuon

−1 /+1 0,1056

Muonneutri

Muonphảnneutrino

0 <0,19

Tauon /

Phảntauon

−1 /+1 1,777

Tauneutrin

phảnneutrino

● 8gluoncóspin1làhạttruyềntươngtáctronglựctươngtácmạnh.H i ệ n tại,cácthuyếtvậtlýdựđoánvềsựtồntạicủamộtsốbosonkhác

như:

● Higgsboson,cóspin0,đượcdựđoánbởimôhìnhchuẩncủathuyết

điệnyếuthốngnhất

● Graviton,cóspin2,đượccholàhạttruyềntươngtáctronglựchấpdẫ n vàđượcdựđoánbởithuyếthấpdẫnlượngtử

● Cácthànhphầns i ê u đ ố i xứngc ủ a c á c hạtfermion(làsleptonvàsquark)

● Graviscalarcóspin0

● Graviphotoncóspin1

● Goldstoneboson

● XbosonvàphảnX bosonđượcdựđoántronglýthuyếtthốngnhấtGUT

2.1.4 Tươngtáccủacáchạtsơcấp

Chúnglàcáchạttruyềntươngtácgiữacáccấutửvậtchất.Chođếnnayc ó thểchorằng,giữathếgiớicủacáchạtvậtchấtcóbốnloạitươngtáccó4lo ạ i tươngtáccơbản:

uon,cũngnhưcácbosontruyềntươngtáccủachúng.Thànhphầncơbảncủatươngtácmạnhgiữcácquarklạivớinhauđểhìnhthànhcáchadronnhưprotonvàneutron.Thànhphầndưcủatươngtácmạnhgiữcáchadronlạitronghạtnhâncủamộtnguyêntử.Ởđâyc ò n cómộthạtgiántiếplàbosonichadron,haycòngọilàmeson

Lựctươngtácmạnhxảyrag iữ a haiquarkl à nhờ mộth ạ t traođổicót ê n làgluon.Nguyênl ý hoạtđộngc ủ a hạtgluoncót h ể h i ể u n h ư tráibòngb à n , vàhaiquarklàhaivậnđộngviên.Haihạtquarkcàngraxathìlựctươngtác giữachúngcànglớn,nhưngkhichúnggầnxátnhau,thìlựctươngtácnàyb ằ n g 0.Có8loạigluonkhácnhau,mỗiloạimangmộtmàuđiệntíchvàmộtđốimàuđiệntích(có3loạimàu,nhưngdocósựtrunghòagiốngnhưđỏ+x a n h +vàng=trắngngoàitựnhiên,nênchỉcó8tổhợpmàugiữachúng)

Hiệntượngkhôngt h ể táchrờic á c quarkxanhaug ọ i làhiệntượngg i a m

h ã m (confinement).Cómộtgiảthuyếtrằngcácquarkgầnnhausẽkhôngt ồ n tạilựct

ươngtácmạnhvàtrởthànhtựdo,giảthuyếtnàycòngọilàsựtựdotiệmcậnvàcóthểđư

ợcgiảithíchbằngnguyênlýquảbóngbànnhưtrên

2.1.4.2 Tươngtácđiệntừ

Lựcđiệntừlàlựcmàđiện-từtrườngtácdụnglênhạtmangđiệntích(chuyểnđộnghayđứngyên)xảyragiữacáchạtmangđiệntích,nhờ nó,cóc ấ u tạonguyêntửvàphântử

Theobiểudiễncổđiểncủalựcđiệntừ,lựcnày

gồmhaithànhphần,dođ i ệ n trườngtạora(lựcđiện)vàdotừtrườngtạora(lựctừ)

LựcđiệntừđôikhicònđượcgọilàlựcLorentz,mặcdùthuậtngữnàycũngcóth

ểchỉdùngđểnóivềthànhphầngâyrabởitừtrường.Lýdolàtrongl ý thuyếtđiệntừvàlýthuyếttươngđối,từtrườngvàđiệntrườngđượcthốngnhấtthànhmộttrườngtạoratươngtácduynhấtgọil à trườngđiệnt ừ Đ ặ c biệt,tronglýthuyếttươngđối,biểuthứclựctừvàlựctĩnhđiệnquytụvềmộtbiểuthứcduynhất

Việcthốngnhấtlựcđiệnvàlựctừthànhmộtloạilựcđiệntừcũngphùhợpvớiquanđiểmcủalýthuyếtđiệnđộnglựchọclượngtử.Theolýthuyếtnày,lựcđiệntừđượcgâyrabởisựtraođổicủahạttrườnglàphoton

Lựctươngtácyếuxảyraởmộtbiênđộrấtngắn,bởivìkhốilượngcủanhữnghạtWbosonvàZbosonvàokhoảng80GeV,nguyênlýbấtđịnhbứcchếchúngtrongmộtkhoảngkhônglà10−18m,kíchthướcnàychỉnhỏbằng0 , 1 % s o vớiđườngkínhc ủ

a proton.Trongđiềuk i ệ n bìnhthường,cáchiệuứ n g củachúnglàrấtnhỏ.Cómộtsốđịnhluậtbảotoànhợplệvớilựctươngt á c mạnhvàlựcđiệntừ,nhưnglạibịphávỡbởilựctươngtácyếu.Mặcdầu

Trongc ơ họcc ổ đ i ể n , l ự c hấpdẫnx u ấ t h i ệ n nhưmộtngoạil ự c t á c độnglênvậtthể.Trongthuyếttươngđ ố i rộng,l ự c hấpd ẫ n làbả n chấtc ủ a khôngthờigianbịuốncongbởisựhiệndiệncủakhốilượng,vàkhôngphảilàmộtngoạilực.Trongthuyếth ấ p dẫnl ư ợ n g tử,h ạ t gravitonđ ư ợ c chol à hạt manglựchấpdẫn

2.2 Phảnvậtchất

Phảnvậtchấtlàkháiniệmtrongvậtlý,đượccấutạotừnhữngphảnhạtcơbảnnhưphảnhạtelectron,phảnhạtnơtron…

h à lýthuyếtđ ã c ó khảnăngbiếnd ạ n g n h i ê n liệutưởngtượngấ y thànhh i ệ n thực

Ý tưởngtrongtruyệnt i ể u

thuyếtđã trởthànhhiệnthựcbằngviệckhámphárasựtồntạicủa phảnvậtchất,ởnhữngthiênhàkhoảngcáchxavàởthờinguyênsinhcủavũtrụ.

2.2.1.2 Giảthiếtkhoahọc

Điềuthúvịnhấtđólàtừtrongtrítưởngtượng,phảnvậtchấttrởthànhh i ệ n thực,và mangtínhthuyếtphục.Năm1928,nhàvậtlýngười AnhPaulD i r a c đãđặtr a mộtv ấ n đề:Làmsaođểk ế t h ợ p cácđịnhluậttrongthuyếtlượngtửvàotrongthuyếttươngđốiđặcbiệtcủaAlbertEinstein.Thôngquac á c bướctínhtoánphứctạp,Diracđãvạchđịnhrahướngđểtổngquáthóahaithuyếthoànt o à n riêngrẽnày.Ô n g đ ã giảithíc

hv i ệ c làmsaomọiv ậ t càngnhỏt h ì v ậ n tốccàngl ớ n ; t r o n g trườngh ợ p đó,c á c electroncóvậnt ố c g ầ n b ằ n g vậntốcánhsáng.Đólàmộtthànhcôngđángkể,nhưngDirackhôngchỉdừnglạ iở đó,ô n g nhậnr a rằ ng các bướctínhtoáncủaôngvẫnhợplệ nếuelectronvừacót h ể cóđ i ệ n tíchâm,v ừ a có t h ể cóđiệnt í c h dương-

đâylàmộtkếtquảngoàitầmmongđợi

Diracbiệnluậnrằng,kếtquảkhácthườngnàychỉrasựtồntạicủamột"đốihạt",

h a y " p h ả n hạt"củaelectron,chúngh ì n h thànhnênmột"cặpmaquỷ".Trênthựctế,ôngquảquyếtrằngmọihạtđềucó"đốihạt"củanó,cùngvớinhữngtínhc h ấ t tươngđồng,duychỉcós ự đ ối lậpvềmặtđiệntích.Vàgiốngnhưproton,neutronvàelectronhìnhthànhn ê n cácnguyênt ử vàv ậ t chất,cácphảnproton,phảnneutron,phảnelectron(cònđượcgọilàpositron)hìnhthànhnênphảnnguyêntửvàphảnvậtchất.Nghiêncứucủaôngdẫnđếnmộtsuyđoánrằngcóthểtồntạimộtvũtrụảotạobởicácphảnvậtchấtnày

Cácdựđ o á n củaôngđãđượck i ể m chứng trongt h í n g h i ệ m củ a CarlAndersonvàonăm1932,cảhaiôngđềuđượcgiảiNobelchothànhtựuấy

Nhưngcâuhỏivẫnlàmbốirốicácnhàvậtlýcũngnhưnhữngngườicótrítưởngtượngcaođólà:Phảichăngv ậ t chấtv à phảnv ậ t c h ấ t tựhủykhic h ú n g tiếpxúcnhau.Tấtcảcácthuyếtvậtlýđềunóirằngkhivụnổlớn(BigBang),đánhdấusựhìnhthànhở13,5tỉnămtrước,vậtchấtvàphảnvậtchất