Giáo trình Vật lý hạt cơ bản

Isospin chỉ bảo toàn trong tương tác mạnh. Như ta có thể thấy, tương tự như spin, isospin I có thể có các giá trị nguyên hay bán nguyên, và các nhóm hạt tương ứng được gọi là isoboson hay isofermion. Điều này không phụ thuộc các hạt đó là boson hay fermion. Thí dụ: trong tương tác mạnh: 0 + p  + + n Trước phản ứng ta có: 2 1 2 1 0m I  2 1 , 2 3 1 2 1 1, 2 1 1I  Sau phản ứng ta có: 9 2 1 2 1 1mI  2 1 , 2 3 1 2 1 1, 2 1 1I  Ta thấy, đối với mọi tương tác mạnh và tương tác điện từ, mI tổng cộng cũng được bảo toàn. 3.9 Số lạ Trong thực nghiệm, các meson K và các barion , , , và  (nhóm này tạo thành các hyperon) bao giờ cũng được tạo thành từng cặp trong tương tác mạnh gọi là hiện tượng tạo cặp liên hợp. Ví dụ:   KΣpπ 00- Kλpπ  0K ~ Σnπ   Tuy nhiên, các hạt tạo thành này có thời gian sống lớn (>10-23s) chúng không phân huỷ bằng tương tác mạnh mà đặc trưng cho tương tác yếu. Ví dụ: 0  p +  - K0   + +  - nπΣ   nπΣ   K+   + +  0 Sự thiếu thuận nghịch này cùng với một số tính chất mới lạ khác, mà các hạt hyperon này có tên là những hạt lạ và đặc trưng bởi lượng tử số lạ S Người ta tính số lạ bằng cách lấy 2 lần giá trị điện tích trung bình trong một đa tuyến rồi trừ đi cho số barion: BQ2S  Những hadron nào có S  0 đều được gọi là hadron lạ. Ví dụ: - Lưỡng tuyến nuclon có 011S1B; 2 1 Q  . Do đó proton và neutron không phải là hạt lạ. - Tam tuyến +, -, 0 có 1S0 3 011 Q    . Do đó, các hạt trên là hạt lạ. - Tam tuyến meson  có điện tích trung bình 0B 0,Q  do đó S cũng bằng 0 nên không phải là hạt lạ. - Hạt lamđa (0) là một đơn tuyến có Q = 0, B = 1 nên S = -1. Đây là một barion lạ. - Lưỡng tuyến meson K (K+, K0) có điện tích trung bình 2 1 Q  vì vậy S = 1 nên meson K là meson lạ. 3.9.1 Định luật bảo toàn số lạ: Số lạ S chỉ bảo toàn trong tương tác mạnh và tương tác điện từ. Chẳng hạn xét phản ứng: K - + p   0 + 0 10 Q: -1 + 1 = 0 + 0 B: 0 + 1 = 1 + 0 S: -1 + 0 = -1 + 0 Số lạ S không bảo toàn trong tương tác yếu, chẳng hạn quá trình phân rã yếu của hạt lamđa () với thời gian đặc trưng 10 –10 giây: 0  p +  - Q: 0 = 1 - 1 B: -1 = 1 - 1 S: -1  0 + 0 3.9.2 Số lạ và isospin: Hệ thức ta có trước đây 2 B mQ I  chỉ đúng trong các trường hợp cho các hạt có S=0. Trong trường hợp tổng quát ta phải áp dụng hệ thức Gell-Mann- Nishijima: 2 SB mQ I   Từ đây, ta suy ra công thức số lạ S: B)m2(QS I  . Dựa vào công thức này, người ta kiểm tra được hạt nào là hạt lạ hay không phải. Thật vậy, năm 1959, người ta biết được hạt  , hạt này có Q = -1, B = 1, S = -2, và 2 1 m I  , người ta đã dự đoán phải tồn tại một hạt có 2 1 mI  . Quả nhiên, sau đó, người ta đã tìm thấy hạt  có 2 1 mI  như dự đoán. 4. Mẫu quark 4.1 Quark là gì? Năm 1963, Gellmann đưa ra lí thuyết rằng tất cả các hạt hadron đều được cấu tạo từ các hạt cơ bản gọi là hạt quark. Ban đầu, ông cho rằng các hạt hadron được cấu thành chỉ gồm 3 hạt quark và các phản hạt của chúng, đó là: Quark u (up) và phản hạt là u~ Quark d (down) và phản hạt là d ~ Quark s (strange) và phản hạt là s~ 4.2 Đặc tính của các quark. 4.2.1 Điện tích Khác với các hạt trước đây mà ta đã gọi chúng là các hạt cơ bản, có điện tích là đơn vị hay bằng không nhân với e (e hay bằng 0), các hạt quark có điện tích là một phân số của e: - Quark u có e 3 2 Q  , hay viết gọn là 3 2 Q  ) 11 - Quark d có e 3 1 Q  , hay viết gọn là 3 1 Q  ) - Quark s có e 3 1 Q  , hay viết gọn là 3 1 Q  ) Các phản hạt của chúng có điện tích ngược dấu. 4.2.2 Barion tích: Cả 3 hạt quark trên có barion tích 3 1 B  và phản hạt của chúng có 3 1 B  . 4.2.3 Spin: Tất cả các quark đều có spin 2 1 s  . Chúng là những hạt fermion và tuân theo phân bố Fermi-Dirac và nguyên lí Pauli. 4.2.4 Isospin: Hai quark u và d tạo nên lưỡng tuyến isospin 2 1 I  (hai quark này có khối lượng gần bằng nhau, và có tất cả các tính chất khác như nhau, ngoại trừ điện tích). Do đó, đối với quark u có 2 1 I3  và đối với quark d có 2 1 I3  Còn quark s là một đơn tuyến nên có I = 0 4.2.5 Số lạ: Số lạ của các quark cũng được tính theo công thức: BQ2S  Hai quark u và d tạo nên lưỡng tuyến isospin. Do đó điện tích trung bình của lưỡng tuyến này là: 6 1 ) 3 1 3 2 ( 2 1 )Q(Q 2 1 Q du  Từ đó, suy ra số lạ của u và d là: 0 3 1 6 2 S  . Do đó hai hạt quark u và d không phải là hạt lạ. Còn quark s là một đơn tuyến nên 3 1 Q  và có số lạ là -1 3 1 3 1 .2S  . Vậy quark s là hạt lạ. Đối với các quark thì lepton tích của chúng đều bằng không vì chúng không phải là các lepton mà là các hadron. 4.3 Cấu tạo các hạt Hadron theo Quark 4.3.1 Cấu tạo của proton theo quark: Proton được cấu tạo từ quark u và quark d theo hợp phần như sau: proton 12 p = u + u + d Sự hợp thành này phải bảo đảm đúng định luật bảo toàn điện tích, barion tích và số lạ. Ta cũng suy ra cấu tạo của hạt phản proton p~ : d ~ u~u~p~  4.3.2 Cấu tạo của neutron theo quark: Neutron được cấu tạo từ quark u và quark d theo hợp phần như sau: n = u + d + d Ta cũng suy ra cấu tạo của hạt phản proton n~ : d ~ d ~ u~p~  Từ cấu tạo của các nuclon ta thấy trong sự phân rã + và - trong lòng hạt nhân chỉ là cơ chế chuyển đổi của các quark trong proton và neutron mà thôi. Đối với phân rã - thì một quark d đã chuyển thành quark u đồng thời phóng ra 2 lepton là e01 và e ~0 0 . Ta hãy nghiệm lại điều này bằng các định luật bảo toàn. Đối với phân rã + thì một quark u đã chuyển thành quark d đồng thời phóng ra 2 lepton là e01 và e 0 0 . 4.3.3 Cấu tạo của meson theo quark: Các meson được cấu tạo từ một quark và một phản quark: q~q, Thí dụ: d ~ uπ  Các định luật bảo toàn được nghiệm đúng như sau: Q: 3 1 3 2 1  B: 3 1 3 1 0  S: 000  Các meson luôn là các boson (spin = 0) vì các quark và phản quark đều có spin=½. Bảng cấu tạo một số meson:             )s~sd ~ du~u( 6 1 η s~dKs;u~K;s~uK )d ~ du~(u 2 1 π;u~dπ;d ~ uπ 0 0 0 4.3.4 Cấu tạo các hạt lạ theo quark: Sự cấu tạo các hạt lạ phải có ít nhất một quark lạ s hay phản quark s~ . Thí dụ: cấu tạo của hạt 0 0 = u + d + s neutron meson + 13 Ta thấy 0 có điện tích Q = 0, barion tích B = 1, số lạ S = -1 và dễ dàng thấy các đặc trưng này ở vế phải cũng vậy. Kết luận chung: Như vậy, các meson được xem là trạng thái liên kết của một quark và phản quark. Vì ta có tất cả 6 quark (kể cả phản quark) nên sẽ có 8 meson. Ví dụ: ,du~π,d ~ uπ   sd ~ K ~ s,u~K,s~dK,s~uK 000  Các barion được cấu thành từ 3 quark, để cấu thành các hạt lạ, có thể ta dùng cả phản quark s~ . Ta sẽ có tất cả 40 barion (kể cả phản hạt). Ví dụ:           ssd,ssu sdd,sdu,suu ddund,uup 0 0 Như vậy, từ cấu trúc trên, ta chỉ có thể cấu thành 48 hạt quark mà thôi. Tuy nhiên trong thực tế, người ta đã tìm thấy trên 400 hạt loại hadron. Như vậy chắc chắn có cái gì chưa ổn khi ta chọn 3 quark như trên làm hạt cơ bản. Mặt khác, khi xét cấu tạo của hạt  -, nó được cấu thành từ 3 quark như sau:  - = s + s + s Nghiệm lại các định luật ta thấy: Q: 3 1 3 1 3 1 1  B: 3 1 3 1 3 1 1  S: 1113  Cả 3 định luật trên đều đúng, nhưng ta thấy rằng hạt  - là một hệ hạt đồng nhất nên phải tuân theo nguyên lí Pauli. Tức phải không có hai hạt trở lên có trạng thái giống nhau về toàn bộ. Ba quark cấu tạo nên  - là như nhau, do đó cấu tạo hạt  - vi phạm nguyên lí Pauli. Điều này lại càng chứng tỏ có cái gì đó chưa ổn khi ta đưa 3 quark mùi như trên làm hạt cơ bản. 4.4 Các màu của quark Ngoài các đặc trưng về điện tích, barion tích, spin, isospin, số lạ, các hạt quark còn được đặc trưng lượng tử khác gọi là lượng tử “màu”. Đặc trưng này đã giải quyết sự bất ổn về cấu tạo của các hadron 4.4.1 Màu của quark: Greenberg đưa ra giả thiết rằng các quark còn một số lượng tử nữa, gọi là màu. Màu của quark có ba giá trị khác nhau là: - Màu đỏ (red), kí hiệu: r - Màu lục (blue), kí hiệu: b - Màu xanh lá (green), kí hiệu: g 14 Các phản quark cũng có 3 màu là lam, vàng, đỏ thẳm. Màu của quark không xác định, nó có thể nhận một trong 3 giá trị trên tùy từng khoảng thời gian (màu của quark thay đổi theo thời gian). Với các phản quark cũng như vậy. Như vậy, ta phân biệt các quark bằng màu và mùi của chúng. Hai quy tắc liên quan đến màu của quark: - Các barion phải được cấu tạo từ 3 hạt quark có 3 màu khác nhau. - Các meson được cấu tạo từ các quark và các phản quark cùng màu, nhưng với xác suất cả 3 màu đều như nhau. Từ quy tắc trên ta thấy: không có hạt hadron nào có màu nhất định. Tức là chúng không có màu. Việc đưa màu vào cho các quark đã giải quyết cái gì chưa ổn nêu ra ở trên. Thật vậy, xét lại cấu tạo của  - ta sẽ thấy ba quark giống nhau về toàn bộ nhưng khác nhau về màu, do đó sự cấu tạo không vi phạm nguyên lí Pauli:  - = sr + sb + sg Nếu tính cả màu của quark nữa thì ta có tất cả 9 quark khác nhau. Với hợp phần cấu tạo như các meson và barion như trên thì từ 9 hạt quark này, chúng ta có cấu tạo được trên 500 hạt hadron, con số này vượt xa con số hạt hadron mà ta đã biết. 4.4.2 Quark mùi thứ 4, thứ 5, thứ 6 Trong những năm 60 của thế kỉ XX, người ta chắc chắn rằng các hạt cơ bản gồm: - Bốn hạt lepton: electron(e), neutrino e( e ), muon(), neutrino muon() - Ba loại quark: u, d, s Theo lí thuyết đối xứng của tự nhiên thì sự tồn tại các hạt này không có tính đối xứng (một loại có 4, một loại có 3). Do đó, năm 1964, người ta đưa ra giả thiết phải tồn tại thêm một hạt quark thứ tư có tên là quark c. Hạt quark này đặc trưng bởi lượng tử số “duyên” (charm), có khối lượng 1,5 GeV/c2, có điện tích 3 2 Q  Sự tồn tại của quark này đã được chứng minh vào năm 1974 khi người ta tìm ra hạt meson mới: hạt J-Psi, kí hiệu J/, hạt này cấu tạo bởi một quark c và phản quark c~ . Sau đó, người ta tìm được nhiều hạt meson và barion khác có thành phần là quark c. Ví dụ: các meson duyên: cd ~ D  , c~dD  , cu~D 0  , c~uD ~ 0  s~cF  , sc~F  các barion duyên: ucdΛc   Năm 1975, người ta tìm thấy một lepton mới là tau (), do đó tính chất đối xứng một lần nữa bị phá vở. Tin tưởng vào thuyết đối xứng, người ta đưa ra quark mùi thứ năm là quark b mang tên là quark đáy (bottom), đặc trưng bởi lượng tử số đẹp (beauty), có khối lượng 4,7GeV. Ngay sau khi giả thuyết ra đời người ta đã kiểm chứng được sự tồn tại của quark b bằng sự phát hiện hạt upsilon (Y) có thành phần cấu tạo như sau: b ~ bY  Khối lượng của Y khoảng 10 GeV, nó là một meson. 15 Cùng với lepton , người ta cũng chứng minh sự tồn tại của hạt neutrino tau (), cũng là một lepton. τπτ   Như vậy, lepton bây giờ có đến 6 hạt, tin tưởng vào thuyết đối xứng, các nhà khoa học lại lần nữa giả thuyết ra hạt quark có mùi thứ sáu là quark t, có tên là quark đỉnh (top) dự đoán được tạo thành do 2 chùm electron và positron có năng lượng cở 10 GeV gặp nhau và vào năm 1984, người ta đã chứng minh được điều đó. Đến đây, ta có thể đưa bảng các lepton và các hạt quark như sau: Lepton: Hạt Q M(MeV/c2)  s B L I mI S Neutrino e e < 7.10 -6 bền Neutrino   < 0,25 bền Neutrino   < 35 ? Electron e- 0,51 bền Muon  - 105,66 2,2.10 -6s Tau  - 1784,1 3,04.10 -13s Quark: Hạt c(b) Q M(MeV/c2)  s B L I mI S u (up) 1,5  4 bền d (down) 4 8 bền s (strange) 80 130 bền c (charm) 1150 1350 bền b (bottom) 4100  4400 bền t (top) 178000  4300 bền Sáu quark và sáu lepton được công nhận là các hạt thật sự cơ bản cho đến ngày nay. 5. Tương tác của các hạt cơ bản Các hạt cơ bản luôn biến đổi và tương tác với nhau - các quá trình đó xảy ra muôn hình muôn vẻ quy về bốn loại tương tác cơ bản sau đây: 5.1 Tương tác hấp dẫn Lực hấp dẫn của hai vật có khối lượng m1 và m2 cách nhau một khoảng r là: r r r mm GF 2 21   với G=6,67.10-11N.m2/kg2, dấu (-) chỉ lực hút Đặc điểm: - Lực hấp dẫn có tính phổ dụng: mọi hạt đều có tuỳ thuộc vào khối lượng và năng lượng của nó. - Tương tác hấp dẫn là tương tác yếu nhất của các loại tương tác. Do đó tương tác hấp dẫn chỉ ‘đáng kể’ trong thế giới vĩ mô. Khi khảo sát các 16 hạt sơ cấp người ta thường bỏ qua tương tác này vì nó nhỏ quá không đáng kể. - Tương tác hấp dẫn có thể tác dụng trên một khoảng cách lớn tuỳ ý và luôn là lực hút. - Hạt truyền tương tác: gravion G00 có spin =2, không mang điện, không có khối lượng riêng nên có tầm tác dụng lớn. Ví dụ: tương tác giữa trái đất và mặt trăng là do sự trao đổi các gravion ảo. Các gravion này gây ra một hiệu ứng đo được là làm cho mặt trăng quay xung quanh trái đất. Các gravion thực vẫn chưa quan sát được. 5.2 Tương tác yếu Bao gồm các quá trình phân rã các Hadron, hấp thụ meson  bởi các chất và các quá trình có neutrino. Trong điều kiện bình thường rất khó nhận biết được lực tương tác yếu vì chúng có tầm tác dụng rất ngắn ( 10-18 m) và cường độ lực rất nhỏ. Tương tác yếu tác dụng lên hạt có spin = ½ chứ không tác dụng lên hạt có spin 0, 1, 2 . Đặc điểm: - Tương tác yếu là dạng tương tác duy nhất của neutrino với vật chất - Số lạ S không được bảo toàn trong tương tác yếu - Thời gian sống của các hạt trong tương tác yếu lớn hơn 10-11s Hạt truyền tương tác: meson W+, meson W- (gọi là vectơ trung gian) và hạt Z0. Các hạt này có spin =1, mang điện tích (hạt W- có Q =-1, hạt W+ có Q =1, hạt Z0 có Q =0) và có khối lượng rất lớn. Ví dụ 1: xét tương tác yếu đặc trưng là sự phân rã - của neutron: e 0 0 0 1 1 1 1 0 ~epn   hay: e 0 0 0 1- ~ed)u(ud)d(u  thực chất của quá trình phân rã là: e 0 0 0 1- ~eW,Wud   Ví dụ 2: xét tương tác yếu đặc trưng là sự phân rã + của proton: e 0 0 0 1 1 1 1 0 enp  hay: e 0 0 0 1ed)d(ud)u(u  thực chất của quá trình phân rã là: e 0 0 0 1eW,Wdu   5.3 Tương tác điện từ Tương tác điện từ là tương tác giữa các hạt mang điện. Hạt có điện tích q chuyển động với vận tốc v trong trường điện từ  B,E  sẽ chịu tác dụng của một lực:   BvEqF   Tương tác điện từ lớn hơn tương tác hấp dẫn rất nhiều lần. Chẳng hạn lực điện từ giữa 2 electron lớn hơn lực hấp dẫn giữa chúng khoảng 1040 lần. Tương tác điện từ có tầm tác dụng rất lớn, cường độ lực mạnh. Tương tác điện từ có thể là lực hút hay lực đẩy tuỳ thuộc vào điện tích các hạt tham gia tương tác. Tương tác điện từ là cơ sở giữ các nguyên tử với nhau trong phân tử. Hạt truyền tương tác: photon có spin =1, không có khối lượng nghỉ, có tầm tác dụng lớn. 17 Ví dụ: Lực tương tác electron và proton trong nguyên tử là do sự trao đổi các photon ảo. Các photon này gây ra hiệu ứng đo được là làm cho electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử. Các photon thực quan sát được. Chẳng hạn, trong nguyên tử khi một electron chuyển từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác gần hạt nhân hơn sẽ phát ra một photon thực. Ngược lại, nếu một photon thực (do nguồn sáng nào đó phát ra) va chạm nguyên tử sẽ kích thích electron chuyển sang quỹ đạo xa hơn, quá trình này sử dụng hết năng lượng photon, vì vậy nó bị hấp thụ. Có nghĩa là photon thực đã được phát ra hoặc bị hấp thụ trong quá trình bức xạ nguyên tử và phân tử. Tương tác điện từ được mô tả bằng lý thuyết điện động lực học (ở cấp độ vĩ mô) và điện động lực học lượng tử (cấp độ vi mô). 5.4 Tương tác mạnh Tương tác giữa các Hadron trừ các quá trình phân rã của chúng. Ví dụ như tương tác giữa proton và neutron trong hạt nhân. Khi nghiên cứu về meson , người ta cũng thấy các meson  đóng vai trò lượng tử trung gian mà thông qua đó các nuclon tương tác với nhau. Nghĩa là meson  là hạt trung gian trong tương tác hạt nhân. Proton nhả + thành neutron: nπp   Proton hấp thụ - thành neutron: nπ p   Proton cũng có thể cho ra 0 và proton khác: pπp 0  Neutron nhả - thành proton: pπn   Neutron hấp thụ + thành proton: pπn   Neutron cũng có thể cho ra 0 và neutron khác: nπn 0  Đăc điểm: - Bán kính tác dụng ngắn (cở 10-13 cm) - Thời gian sống của các hạt tạo thành trong tương tác mạnh rất ngắn (cở 10-24s) - Tương tác mạnh không phụ thuộc điện tích của các hạt. Ví dụ: nπpπ 0  hay: d)d(u)u~(ud)u(u)u~(d  Như vậy, tương tác mạnh giữa các nuclon không phải là nhiệm vụ của các meson mà là sự trao đổi các cặp quark trong lòng các nuclon: u-u, d-d Hạt truyền tương tác: gluon g00 có spin =1, có màu. Gluon chỉ tương tác với chính nó và với hạt quark. Tương tác mạnh cũng là tương tác giữa các meson  và meson K và các hyperon với các nuclon và giữa chúng với nhau. Tương tác mạnh được biểu diễn bởi thuyết sắc động lực học lượng tử. Thuyết sắc động lực học 18 Một suy nghĩ tự nhiên đặt ra là: lực gì đã giữ cho 3 quark với 3 màu khác nhau để tạo thành một hadron? Đã giữ quark và phản quark tạo thành một meson? Vấn đề này đã được giải đáp trong thuyết “sắc động lực học”. Lý thuyết tương tác mạnh giữa các quark có tên là Sắc động lực học lượng tử. "Sắc" nghĩa là màu, để chỉ rằng nguồn của tương tác mạnh là màu của các quark, tương tự như nguồn của tương tác điện từ là điện tích các hạt. Theo thuyết này, các quark hút nhau được là nhờ tích màu, tương tác giữa các quark màu với nhau bởi một loại hạt mang tên gluon (có spin =1, không tích điện, khối lượng nghỉ bằng không và có màu) So sánh giữa thuyết sắc động lực học và thuyết điện động lực học: Thuyết sắc động lực học Thuyết điện động lực học - Tương tác giữa các quark có màu - Gluon là hạt trung gian truyền tương tác - Có 8 loại gluon - Gluon truyền tương tác giữa màu nhưng cũng có màu - Tương tác giữa các điện tích - Photon là hạt trung gian truyền tương tác - Chỉ có một loại photon - Photon truyền tương tác điện từ nhưng không có điện tích - Khi hạt quark nào phát ra hay thu vào một gluon thì màu của nó thay đổi, còn mùi của nó vẫn giữ nguyên. Thí dụ: quark ur phát ra một gluon thì nó biến thành quark ub, hay quark ug, chứ không thể trở thành quark d hay quark s được. Trạng thái cầm tù: Tương tác mạnh luôn có tác dụng liên kết các quark lại tạo thành một tổ hợp (không có màu): trạng thái cầm tù. Sự cầm tù không cho phép gluon tồn tại ở trạng thái riêng lẽ. Vì các gluon luôn có màu sắc nên khi tổ hợp chúng lại thành một tập hợp tạo nên một hạt không bền (glueball) với tổng màu là trắng. Do tính chất của lực tương tác, các quark không thể bị tách ra được: - Lực hấp dẫn và lực điện từ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các hạt tương tác. Lực hạt nhân có bán kính tác dụng ngắn (<10-13cm). Lực tương tác giữa các quark không phụ thuộc vào khoảng cách giữa các quark. - Tách electron ra khỏi nguyên tử, chỉ cần năng lượng vài eV, tách proton ra khỏi hạt nhân cần vài MeV, nhưng tách quark ra khỏi proton cần năng lượng 107 MeV. Như vậy, trước khi ta đạt được mức năng lượng ấy, thì nhiều sự kiện xảy ra mất rồi. Hạt quark mà ta định kéo nó ra khỏi proton, nó chưa kịp ra thì đã nhận năng lượng ấy để sinh ra một căp quark và phản quark. Hạt quark mới này thay chỗ cho hạt quark định kéo ra để bảo toàn proton. Còn hạt phản quark thì dính vào hạt quark kia để tạo ra một meson không màu. Tóm lại, kết quả của sự tương tác là chỉ có tạo ra một meson không màu mà thôi, chứ không lôi quark ra được. Như vậy các quark luôn ở trong các hadron, trạng thái đó gọi là trạng thái cầm tù của các quark. Tiệm cận tự do: Khi các quark ở trong các hadron, chúng ở cạnh nhau nhưng lực tương tác giữa chúng bằng không. Tức là chúng ở gần nhau nhưng không làm phiền gì nhau cả. Đó chính là trạng thái tiệm cân tự do của các quark. 19 Bảng dưới đây cho ta hình dung cường độ của 4 loại tương tác nói trên nếu quy ước tương tác mạnh có cường độ là 1: Tương tác Cường độ Tầm tương tác (m) Hạt truyền tương tác (hạt trường) Mạnh 1 10 –15 8 gluon Điện từ 1/137 Vô hạn 1 photon Yếu 10-14 10 –18 0,W¦ Z  Hấp dẫn 10-39 Vô hạn 1 graviton Tuy các tương tác có bản chất khác nhau nhưng đều tuân theo các định luật bảo toàn; bao gồm bảo toàn năng lượng, bảo toàn xung lượng, bảo toàn mômen xung lượng, bảo toàn điện tích, bảo toàn số Barion, số lepton electron, số lepton meson. Lưu ý: những định luật bảo toàn chỉ đúng trong một số tương tác. Trong tương tác mạnh có sự bảo toàn số lạ S, bảo toàn spin đồng vị I, bảo toàn hình chiếu spin đồng vị. Trong tương tác điện từ có sự bảo toàn số lạ S, bảo toàn hình chiếu spin đồng vị. Trong tương tác yếu có hạt lạ tham gia, số lạ S và spin đồng vị biến đổi. 5.5 Phương hướng thống nhất các loại tương tác Một trong những định hướng của các nhà vật lý lí thuyết là xây dựng mô hình thống nhất chung các loại tương tác. Thế kỉ XIX người ta đã biết hai loại tương tác riêng rẽ là tương tác điện và tương tác từ. Hai tương tác này thực chất là biểu hiện của tương tác chung, đó là tương tác điện từ. Nói cách khác, người ta đã thống nhất tương tác điện và tương tác từ thành tương tác điện từ. Cuối những năm 60, tương tác điện từ và tương tác yếu đã được thống nhất qua mô hình Weinberg-Salam. Tính đúng đắn của lí thuyết này thể hiện ở chổ các dự đoán của lí thuyết đều được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm. Một trong những kết quả đó là việc phát hiện ra các hạt boson vectơ trung gian W+, W-, và Z0 vào cuối năm 1982, đầu 1983. Trong điều kiện bình thường, tương tác điện từ và tương tác yếu là những tương tác riêng rẽ, hai tương tác này chỉ thống nhất khi thang năng lượng đủ lớn (khoảng 100GeV). Theo chiều hướng này, người ta đang tìm cách xây dựng lí thuyết thống nhất giữa các tương tác điện từ-yếu và tương tác mạnh vì thấy rằng các hạt trung gian mang tương tác của 3 loại này đều có spin =1. Lí thuyết này gọi là tí thuyết thống nhất lớn. Lí thuyết này cần một thang năng lượng cao cở 1015GeV. Hiện nay, ta chưa đạt được mức năng lượng này trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, lí thuyết này giúp ta giải thích sự sinh và huỷ cặp các hạt nặng có barion tích khác không. 20 Gth: sinh và huỷ cặp các hạt nặng có B0 Phân biệt: quark, lepton ? TT điện TT từ TT điện từ (ĐĐL lượng tử) TT yếu TT mạnh (SĐL lượng tử) TT hấp dẫn HD lượng tử TT điện từ - yếu (Thuyết điện yếu) mô hình Weinberg-Salam W+, W-, Z0 LT. THỐNG NHẤT LỚN Thang NL: 1015GeV spin hạt truyền TT=1 SIÊU THỐNG NHẤT 21 Siêu thống nhất Nếu đặt mục tiêu là xây dựng lí thuyết mô tả một cách thống nhất tất cả các loại tương tác, tất cả các đối tượng của thế giới vi mô thì lí thuyết thống nhất chưa đạt yêu cầu ở 2 điểm: - Vẫn còn phân biệt 2 loại hạt khác nhau: các hạt vật chất gồm các lepton và các quark, các hạt truyền tương tác như W và Z0. - Chưa đông chạm gì đến tương tác hấp dẫn. Một trong những cố gắng khắc phục 2 điểm hạn chế này là xây dựng lí thuyết siêu thống nhất, trong đó các hạt vật chất cũng như các hạt truyền tương tác đều có một xuất phát điểm như nhau. Hiện tại phương hướng này chưa thực hiện được, tuy nhiên việc nghiên cứu này ngày càng mở ra vai trò quan trọng của vật lí hạt trong cuộc sống. 5.6 Thống nhất các tương tác và sự khởi đầu của vũ trụ Áp dụng kết quả thu được trong vật lí các hạt, cùng với giả thuyết về sự thống nhất vĩ đại, các nhà thiên văn – vật lí đã viết ra kịch bản về sự khởi đầu của vũ trụ. a. Vũ trụ của chúng ta được sinh từ một “vụ nổ lớn” (Big Bang). b. Ở những thời điểm đầu tiên 10-43s, vũ trụ có kích thước 10-32m, nhiệt độ cực cao 1032K, ứng với năng lượng 1019GeV; lúc này có bốn loại tương tác thống nhất với nhau (siêu thống nhất). c. Tiếp đó, năng lượng giảm dần đến 1015GeV, tương tác hấp dẫn tách ra thành một tương tác riêng; chỉ còn ba tương tác: mạnh, điện từ, yếu, thống nhất với nhau (sự thống nhất lớn). d. Tiếp sau đó, năng lượng vào cỡ 100GeV: tương tác: mạnh tách ra chỉ còn hai tương tác điện từ và yếu thống nhất với nhau; Cuối cùng khi năng lượng giảm dần đến 0,1GeV thì các tương tác điện từ và yếu củng tách ra. Và sau đó 14 tỉ năm hình thành vũ trụ ngày nay. 22 6. Máy gia tốc và phương pháp ghi nhận các hạt cơ bản. 6.1 Vai trò của máy gia tốc: Một trong những phương pháp nghiên cứu các hạt cơ bản là sử dụng các loại hạt bắn phá vào vật chất. Cấu trúc và tính chất của vật chất được phát hiện nhờ sự tương tác của các hạt kể trên với vật chất. Để có được khả năng như vậy thì các hạt phải có năng lượng nhất định và cường độ chúng đủ lớn. Phương tiện duy n