Bài giảng Vật lý 2: Vật lý hạt cơ bản cung cấp cho người học các kiến thức: Các hạt dưới nguyên tử, máy gia tốc và máy dò hạt, các hạt cơ bản, hạt cơ bản và lịch sử vũ trụ. Cuối bài giảng có phần bài tập trắc nghiệm để người học ôn tập và củng cố kiến thức đã học.
Trang 1Vật 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 νe
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
Trang 21b 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
e
n→ + +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 π+
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
Muon neutrino νμ
2
–1
Electron neutrino νe
1
Số lepton Lepton
Thế
hệ
Trang 31c Các leptons (tt)
• Số lepton của từng thế hệ bảo toàn trong một
phản ứng
e
µ−→ + +− ν ν
L e: 0 = 1 – 1 + 0
L μ: 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
γ → +− +
2
e−+ →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
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
Trang 43a 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
– tương tác điện từ: photon γ
– tương tác yếu: bosons W–, W+, Z0
– truyền tương tác mạnh: gluons g
3b 12 hạt cơ bản
• Các phản baryons thì gồm ba phản quarks
phản quark
• Minh họa
Trang 5Câu 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 ν e, 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)
Trang 6Câu 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)
Trang 7Câu 5
= –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)
Minh họa