zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ứng cử viên vật chất tối trong mô hình phá vỡ siêu đối xứng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của bản luận văn là khảo sát một mô hình siêu đối xứng cụ thể trong đó khối lượng hạt Higgs có giá trị phù hợp với giá trị đo đạc được từ thí nghiệm ATLAS, CMS ở máy gia tốc LHC cũng như tìm kiếm ứng cử viên vật chất tối phù hợp với một số ràng buộc thực nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ứng cử viên vật chất tối trong mô hình phá vỡ siêu đối xứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Minh Hiền ỨNG CỬ VIÊN VẬT CHẤT TỐI TRONG MÔ HÌNH PHÁ VỠ SIÊU ĐỐI XỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Minh Hiền ỨNG CỬ VIÊN VẬT CHẤT TỐI TRONG MÔ HÌNH PHÁ VỠ SIÊU ĐỐI XỨNG Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trần Minh Hiếu Hà Nội - 2014
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS Trần Minh Hiếu. Cám ơn thầy đã hướng dẫn chỉ bảo tôi rất tận tình trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này. Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong tổ vật lý lý thuyết, các thầy cô trong khoa vật lý, ban chủ nhiệm khoa vật lý trường Đại học khoa học tự nhiên đã quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong thời gian làm khóa luận cũng như trong suốt quá trình học tập, rèn luyện tại trường. Đồng thời tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các anh chị nghiên cứu sinh, các bạn trong lớp cao học vật lý khóa 2012-2014 đã đóng góp những ý kiến quý báu và động viên tôi thực hiện luận văn này. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới gia đình tôi, những người thân yêu của tôi đã luôn luôn bên tôi động viên tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình hoàn thành luận văn này. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Minh Hiền
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 Chương 1 - TỔNG QUAN HẠT CƠ BẢN VÀ TƯƠNG TÁC GIỮA CHÚNG .......4 1.1. Hạt cơ bản ......................................................................................................... 4 1.1.1. Lepton và các đặc trưng của chúng ............................................................ 5 1.1.2. Quark và các đặc trưng của chúng ............................................................. 6 1.1.3. Gauge boson ............................................................................................... 7 1.2. Tương tác giữa các hạt cơ bản .......................................................................... 8 1.2.1. Tương tác điện từ ....................................................................................... 8 1.2.2. Tương tác yếu ............................................................................................. 9 1.2.3. Tương tác mạnh .......................................................................................... 9 1.2.4. Tương tác hấp dẫn .................................................................................... 11 Chương 2 - MÔ HÌNH CHUẨN CỦA CÁC HẠT CƠ BẢN ...................................13 2.1. Các thế hệ và cấu trúc hạt trong mô hình chuẩn............................................. 13 2.2. Lagrangian toàn phần ..................................................................................... 14 2.2.1. Đạo hàm hiệp biến.................................................................................... 15 2.2.2. Lagrangian của lepton .............................................................................. 15 2.2.3. Lagrangian của quark ............................................................................... 16 2.2.4. Lagrangian gauge ..................................................................................... 17 2.2.5. Lagrangian Higgs ..................................................................................... 17 2.2.6. Tương tác Yukawa ................................................................................... 20 2.2.7. Dòng mang điện và dòng trung hòa ......................................................... 22 2.2.8. Ma trận CKM ........................................................................................... 26 2.3. Thành công và hạn chế của Mô hình chuẩn ................................................... 28 Chương 3 - MÔ HÌNH CHUẨN SIÊU ĐỐI XỨNG TỐI THIỂU ...........................31
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền 3.1. Siêu đối xứng (SUSY- Supersymmetric) ....................................................... 32 3.2. Cấu hình hạt và bạn đồng hành siêu đối xứng trong mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu (MSSM) .......................................................................................... 33 3.3. Lagrangian của Mô hình siêu đối xứng tối thiểu ............................................ 34 3.3.1. Thế Kahler ................................................................................................ 35 3.3.2. Siêu thế cho MSSM có dạng tương tác Yukawa ..................................... 35 3.3.3. Lagrangian Kinetic chuẩn ........................................................................ 35 3.3.4. Lagrangian của phá vỡ siêu đối xứng mềm ............................................. 36 3.3.5. Các phương trình nhóm tái chuẩn hóa của mô hình siêu đối xứng tối thiểu ............................................................................................................................ 36 3.3.6. Ma trận khối lượng ................................................................................... 40 Chương 4 - ỨNG CỬ VIÊN VẬT CHẤT TỐI TRONG MÔ HÌNH PHÁ VỠ SIÊU ĐỐI XỨNG ...............................................................................................................43 4.1. Vật chất tối ...................................................................................................... 43 4.1.1. Vật chất tối ............................................................................................... 43 4.1.2. Vật chất tối baryon và nonbaryonic ......................................................... 44 4.1.3. Các bằng chứng quan sát được chứng minh tồn tại vật chất tối .............. 46 4.1.4. Phân loại vật chất tối ................................................................................ 54 4.2. MSSM ràng buộc và R-parity ......................................................................... 57 4.2.1 MSSM ràng buộc ...................................................................................... 57 4.2.2. R-parity..................................................................................................... 58 4.3. Phổ khối lượng và ứng cử viên vật chất tối .................................................... 59 4.3.1. Sự tiến hóa của số hạng phá vỡ SĐX mềm .............................................. 59 4.3.2. Phổ khối lượng và ứng cử viên vật chất tối.............................................. 62 KẾT LUẬN ...............................................................................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................65 PHỤ LỤC ..................................................................................................................66
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Ba thế hệ của quark và lepton.....................................................................5 Bảng 1.2: Điện tích và khối lượng hạt và phản hạt của lepton ...................................6 Bảng 1.3: Điện tích, khối lượng và phản hạt trong ba thế hệ quark ...........................7 Bảng 2.1: Ba thế hệ của quark và lepton trong Mô hình chuẩn ................................14 Bảng 2.2: Cấu trúc hạt của mô hình chuẩn ...............................................................14 Bảng 3.1: Cấu trúc hạt trong mô hình MSSM ..........................................................34 Bảng 4.1: Khối lượng các hạt siêu đồng hành trong mô hình MSSM ràng buộc .....62
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 4.1: Hình ảnh phân bố năng lượng và vật chất ................................................46 Hình 4.2: Đường phân bố vận tốc của thiên hà.........................................................48 Hình 4.3: Sự tiến hóa của các khối lượng gaugino trong khoảng từ tới ....59 Hình 4.4: Hằng số phá vỡ siêu đối xứng mềm ở mức một vòng ..............................60 Hình 4.5: Khảo sát khối lượng các hạt trong khoảng tới .........................61
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền MỞ ĐẦU Con người luôn luôn mong mỏi hiểu hết được mọi điều từ những thành phần nhỏ bé như các hạt cơ bản đến những siêu thiên hà bên ngoài vũ trụ bao la. Ngoài việc xây dựng những cỗ máy đắt tiền phục vụ công tác phòng thí nghiệm thì việc nghiên cứu các mô hình, lý thuyết cũng luôn được các nhà khoa học chú ý tới. Trong số đó lý thuyết trường là công cụ hữu hiệu để nghiên cứu thế giới siêu nhỏ- hạt cơ bản. Những nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm trong vật lý hạt cơ bản cho ta hiểu biết về vũ trụ ở thời kỳ sơ khai. Trong thời kỳ đầu khi vũ trụ bắt đầu hình thành, các hạt có năng lượng rất lớn. Chính trong khoảng thời gian này lý thuyết hạt cơ bản cho biết về quy luật chi phối sự vận động của các hạt cũng như cách thức tương tác giữa chúng. Việc con người bỏ ra hàng chục tỷ USD cho việc xây dựng và vận hành máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider-LHC) cho thấy mong muốn tìm hiểu về các loại hạt cơ bản nhỏ bé của loài người rộng lớn đến thế nào. Mục đích của việc xây dựng cỗ máy đồ sộ cần nhiều công sức của các nhà khoa học này là để kiểm chứng sự chính xác của mô hình chuẩn cũng như những mô hình mở rộng của nó trong vật lý hạt. Thành công đã đến khi vào tháng 7 năm 2012, trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) công bố đã tìm ra hạt Higgs gọi là boson Higgs với khối lượng đo được là 125,3 -126,5GeV, nặng hơn proton 133 lần. Và đến tháng 10 năm 2013 giải Nobel Vật lý đã được chính thức trao cho hai nhà vật lý có công trình khám phá hạt cơ bản của vũ trụ- hạt Higgs là nhà vật lý người Anh Peter Higgs và nhà vật lý người Bỉ Francois Englert. Thời gian gần đây vũ trụ học và vật lý thiên văn hạt đang tập trung nghiên cứu và tìm kiếm loại vật chất còn ít được biết đến là vật chất tối. Đúng như tên gọi, vật chất tối là loại vật chất mà sự hiểu biết về chúng còn rất ít nhưng vật chất tối lại vô cùng quan trọng vì nó chiếm tới 70% toàn bộ vật chất trong vũ trụ, gây ra ảnh hưởng hấp dẫn lớn hơn rất nhiều so với các loại vật chất thông thường. Do đó 1
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền những hiểu biết về vật chất tối sẽ đem lại những hiểu biết sâu sắc về sự hình thành cấu trúc vũ trụ từ lúc vũ trụ bắt đầu cho tới nay. Trong bối cảnh này, chúng tôi quan tâm nghiên cứu những mô hình vật lý hạt cơ bản có thể tiên đoán sự tồn tại của vật chất tối và lựa chọn đề tài nghiên cứu là: “Ứng cử viên vật chất tối trong mô hình phá vỡ siêu đối xứng”. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là mô hình mở rộng siêu đối xứng của mô hình chuẩn. Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết trường, lý thuyết nhóm, phương trình nhóm tái chuẩn hóa, các công cụ lập trình trên máy tính để tính toán tìm phổ khối lượng từ đó biện luận tìm ra hạt phù hợp làm ứng cử viên vật chất tối. Mục đích của bản luận văn là khảo sát một mô hình siêu đối xứng cụ thể trong đó khối lượng hạt Higgs có giá trị phù hợp với giá trị đo đạc được từ thí nghiệm ATLAS, CMS ở máy gia tốc LHC cũng như tìm kiếm ứng cử viên vật chất tối phù hợp với một số ràng buộc thực nghiệm. Bản luận văn có ý nghĩa khoa học là nâng cao hiểu biết về vật lý hạt cơ bản và ứng cử viên vật chất tối. Ngoài ra luận văn còn có thể được dùng làm chuyên đề cho sinh viên năm cuối và học viên cao học. Bố cục luận văn bao gồm phần mở đầu, bốn chương, kết luận, tài liệu tham khảo và một số phụ lục. Chương 1 trình bày về tổng quan khái niệm về hạt cơ bản và các tương tác giữa chúng. Phần 1.1: Trình bày khái niệm hạt cơ bản. 1.1.1: giới thiệu cụ thể về lepton và các đặc trưng của chúng. 1.1.2: giới thiệu cụ thể về quark và các đặc trưng của chúng. 1.1.3: giới thiệu về gauge boson. Phần 1.2: Đề cập tới các tương tác giữa các hạt cơ bản như trong 1.2.1: Tương tác điện từ. 1.2.2: Tương tác yếu. 1.2.3: Tương tác mạnh. 1.2.4: Tương tác hấp dẫn. Chương 2 giới thiệu về mô hình chuẩn của các hạt cơ bản là sự kết hợp của ba loại tương tác mạnh, yếu và điện từ. Phần 2.1: Giới thiệu về các thế hệ và cấu trúc hạt trong mô hình chuẩn. Phần 2.2: Trình bày Lagrangian toàn phần. 2.2.1: Sơ lược về đạo hàm hiệp biến. 2.2.2: Lagrangian của lepton. 2.2.3: Lagrangian của 2
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền quark. 2.2.4: Lagrangian gauge. 2.2.5: Lagrangian Higgs. 2.2.6: Tương tác Yukawa. 2.2.7: Dòng mang điện và dòng trung hòa. 2.2.8: Ma trận CKM. 2.3: Luận văn trình bày các thành công và hạn chế của mô hình này cần được khắc phục trong các mô hình tương lai. Chương 3 trình bày về mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu. Phần 3.1: Khái niệm tổng quát về siêu đối xứng. Phần 3.2: Giới thiệu cấu hình hạt và bạn đồng hành siêu đối xứng của mô hình này. Phần 3.3: Trình bày Lagrangian tổng quát của mô hình siêu đối xứng tối thiểu và giới thiệu cụ thể các công thức lagrangian thành phần như trong 3.3.1: Thế Kaler. 3.3.2: Siêu thế cho mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu có dạng tương tác Yukawa. 3.3.3: Lagrangian Kinetic chuẩn. 3.3.4: Lgrangian của phá vỡ siêu đối xứng mềm. 3.3.5: Trình bày các phương trình nhóm tái chuẩn hóa của mô hình siêu đối xứng tối thiểu. 3.3.6: Ma trận khối lượng. Các phương trình nhóm tái chuẩn hóa và các ma trận khối lượng của mô hình này phục vụ cho việc tính toán ở chương 4. Chương 4 trình bày cụ thể về ứng cử viên cho vật chất tối trong mô hình phá vỡ siêu đối xứng. Phần 4.1: trình bày vật chất tối. 4.1.1: Khái niệm vật chất tối. 4.1.2: Vật chất tối baryon và nonbaryonic. 4.1.3: Các bằng chứng quan sát được chứng minh sự tồn tại vật chất tối. 4.1.4: Phân loại vật chất dựa vào độ dài suy giảm vận tốc của chúng so với kích thước đặc trưng của một thiên hà nguyên thủy. Phần 4.2: Trình bày về MSSM ràng buộc và R-parity. 4.2.1: MSSM ràng buộc. 4.2.2: R- parity. Phần 4.3: Trình bày các kết quả của các tính toán bằng cách sử dụng các phần mềm máy tính là các đồ thị của các số hạng phá vỡ siêu đối xứng mềm và phổ khối lượng các hạt. 4.3.1: Sự tiến hóa của số hạng phá vỡ SĐX mềm. 4.3.2: Phổ khối lượng và ứng cử viên vật chất tối. Từ các thông số trong bảng khối lượng các hạt siêu đồng hành trong mô hình MSSM ràng buộc ta biện luận rút ra được ứng cử viên phù hợp với vật chất tối. 3
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền Equation Chapter 1 Section 1 Chương 1 - TỔNG QUAN HẠT CƠ BẢN VÀ TƯƠNG TÁC GIỮA CHÚNG 1.1. Hạt cơ bản Hạt cơ bản là những hạt vi mô mà cho tới nay cấu trúc thành phần của nó vẫn chưa được biết đến, do đó chưa biết nó được cấu thành từ những hạt vi mô khác nào. Vì thế hạt cơ bản được coi là tồn tại như một hạt nguyên vẹn, đồng nhất không thể tách thành các thành phần nhỏ hơn. Trong vật lý hiện đại thì cho tới nay các hạt như quark, lepton, gauge boson, photon là các hạt cơ bản. Vật lý hạt cơ bản có mục tiêu là tìm kiếm, phân loại các thành phần sơ cấp của vật chất và quan trọng hơn là phám khá những tính chất cũng như những định luật cơ bản chi phối sự vận hành của chúng. Mô hình chuẩn (SM-Standard Model) của ngành Vật lý hạt cơ bản là lý thuyết diễn tả toàn vẹn và giải thích nhất quán những đặc trưng của những viên gạch cấu tạo nên vật chất, dưới tác động của 3 trong 4 lực cơ bản của tự nhiên: lực điện-từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu để từ đó vạn vật được hình thành và biến hóa. Hạt cơ bản tiêu biểu hơn cả là electron được khám phá lần đầu tiên bởi Joseph John Thomson năm 1897. Electron chính là gốc nguồn của hiện tượng điện-từ mà ngay từ thời xa xưa con người đã cảm nhận thấy có cái gì liên quan đến điện khi nhìn sấm sét trên trời mưa bão cũng như khi rà sát hổ phách có thể bị điện giật nảy mình. Từ ánh đèn lân quang thời xa xưa đến iPad tân kỳ thời nay, dấu ấn của electron vô hình trung ngày càng đậm nét trong nếp sống của mỗi chúng ta. Hiện nay các hạt cơ bản chúng gồm có ba phần: thứ nhất là mười hai hạt có spin ½ như quark và lepton vắn tắt gọi chung là trường vật chất; thứ hai là bốn boson chuẩn có spin 1 gồm photon của lực điện-từ, gluon của lực mạnh, hai boson W, Z của lực yếu, gọi chung là trường lực; thứ ba là boson Higgs có spin 0 đóng vai trò quan trọng tạo nên khối lượng cho vạn vật. 4
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền Bảng 1.1: Ba thế hệ của quark và lepton FERMION: Hạt tạo nên vật chất, Spin=1/2… Thế hệ Thế hệ 1 Thế hệ 2 Thế hệ 3 Quark (up) quark lên (charm) quark duyên (top) quark đỉnh Q=2/3 u c t Quark (down) quark xuống (strage) quark lạ (bottom) quark đáy Q=-1/3 d s b Leptons Electron Muon Tauon Q=-1 τ Leptons Neutrino electron Neutrino muon Neuntrino tauon Q=0 1.1.1. Lepton và các đặc trưng của chúng Lepton trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là nhỏ và mỏng. Tên này có trước khi khám phá ra các hạt Taoun, một loại hạt lepton nặng có khối lượng gấp đôi khối lượng của proton. 1 2 Lepton là hạt có spin bán nguyên và không tham gia tương tác mạnh. Lepton hình thành một nhóm hạt sơ cấp phân biệt với các nhóm gause bosson và quark. Có 12 loại lepton được biết đến, bao gồm 3 loại hạt vật chất là electron, muon và tauon , cùng 3 neutrion tương ứng và 6 phản hạt của chúng. Tất cả các lepton đều có điện tích là -1 hoặc + 1 (phụ thuộc vào việc chúng là hạt hay phản hạt) và tất cả các neutrino cùng phản neutrino đều có điện tích trung hòa. Số lepton của cùng một loại được giữ ổn định khi hạt tham gia tương tác, được phát biểu trong định luật bảo toàn số lepton. 5
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền Bảng 1.2: Điện tích và khối lượng hạt và phản hạt của lepton Hạt điện tích / phản hạt Neutrino / phản neutrino Khối Điện Khối lượng Tên Ký hiệu Điện tích lượng Tên Ký hiệu 2 tích (MeV/c 2 ) (GeV/c ) / Electron /
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền Bảng 1.3: Điện tích, khối lượng và phản hạt trong ba thế hệ quark Khối lượng Hệ Tên/Hương Điện tích Phản quark (MeV/c²) Trên (u) +⅔ 1.5- 4 Phản quark trên: u 1 Dưới (d) −⅓ 4-8 Phản quark dưới: d Lạ (s) −⅓ 80 - 130 Phản quark lạ: s 2 Phản quark duyên: Duyên (c) +⅔ 1,150 - 1,350 c Đáy (b) −⅓ 4,100 - 4,400 Phản quark đáy: b 3 Đỉnh (t) +⅔ 178,000 ± 4,300 Phản quark đỉnh: t 1.1.3. Gauge boson Gauge boson là nhóm các hạt cơ bản trong họ Boson có nhiệm vụ thực hiện tương tác giữa các hạt, nên còn gọi là hạt truyền tương tác. Các boson đều có spin nguyên. Các lực cơ bản của tự nhiên được truyền bởi các hạt gauge boson. Trong mô hình chuẩn, gauge boson gồm các dạng: - Photon (còn gọi là quang tử) có spin bằng 1. Đây là hạt truyền tương tác trong lực điện từ. - Gluon gồm có 8 gluon với spin bằng 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác mạnh. - Weak boson gồm hai loại W và Z. Các W boson và Z boson có spin bằng 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác yếu. 7
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền Ngoài ra còn có các Graviton (hạt trong tương tác hấp dẫn). Graviton có spin 2, được cho là hạt truyền tương tác trong lực hấp dẫn và được dự đoán bởi thuyết hấp dẫn lượng tử. Đặc biệt là hạt Higgs boson có spin 0, được dự đoán bởi mô hình chuẩn của thuyết điện yếu thống nhất đã được thực nghiệm phát hiện ra với khối lượng đo đạc được là ≃ 125 − 126 % & 1.2. Tương tác giữa các hạt cơ bản Tương tác cơ bản hay lực cơ bản là các loại lực của tự nhiên mà tất cả mọi lực, khi xét chi tiết, đều quy về các loại lực này. Trong cơ học cổ điển, lực cơ bản là các lực không bao giờ biến mất dưới phép biến đổi hệ quy chiếu. Trong cơ học cổ điển cũng tồn tại lực quán tính không thể quy về các lực cơ bản. Tuy nhiên loại lực này được coi là "lực ảo", do luôn tìm được hệ quy chiếu mà lực này biến mất (gọi là hệ quy chiếu quán tính). Mô hình vật lý hiện đại cho thấy có bốn loại tương tác cơ bản trong tự nhiên: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu. 1.2.1. Tương tác điện từ Tương tác điện từ hay lực điện từ là một trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên. Nó cũng là sự kết hợp của lực điện (còn gọi là lực Coulomb với các điện tích điểm đứng yên) và lực từ (sinh ra bởi các hạt mang điện tích khi di chuyển). Về cơ bản, cả lực điện và lực từ đều được miêu tả dưới dạng một lực truyền với sự có mặt của hạt truyền tương tác là quang tử. Quá trình lượng tử hóa lực điện từ được miêu tả trong thuyết điện động lực học lượng tử hay còn gọi là thuyết QED. Lực điện từ tồn tại giữa các hạt mang điện tích như electron hay quark và có độ lớn khoảng 10 42 lần so với lực hấp dẫn. Có hai loại điện tích là điện tích âm và điện tích dương trong đó hai hạt cùng dấu điện tích sẽ đẩy nhau và ngược dấu điện tích sẽ hút nhau. Lực điện từ giữa electron và proton là lý do để cho electron nằm trên quỹ đạo của hạt nhân. 8
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền 1.2.2. Tương tác yếu Tương tác yếu hay lực yếu xảy ra ở mọi hạt cơ bản trừ các hạt photon và gluon, ở đó có sự trao đổi của các hạt truyền tương tác là các W boson và Z boson. Tương tác yếu xảy ra ở một khoảng rất ngắn, bởi vì khối lượng của những hạt W boson và Z boson vào khoảng 80 GeV, nguyên lý bất định giới hạn chúng trong một khoảng không là 10 −18 m, kích thước này chỉ nhỏ bằng 0,1% so với đường kính của proton. Trong điều kiện bình thường các hiệu ứng của chúng là rất nhỏ. Có một số định luật bảo toàn hợp lệ với lực tương tác mạnh và lực điện từ nhưng lại bị phá vỡ bởi lực tương tác yếu. Mặc dù có khoảng giới hạn và hiệu suất thấp, nhưng lực tương tác yếu lại có một vai trò quan trọng trong việc hợp thành thế giới mà ta quan sát. Tương tác yếu chuyển đổi một hương quark sang một hương khác. Nó có vị trí quan trọng trong cấu trúc vũ trụ của chúng ta, bởi vì: - Mặt trời sẽ không chiếu sáng nếu không có lực tương tác yếu do sự chuyển đổi từ proton sang neutron, ở đó deuterium, nguyên tố đồng vị của hidro được tạo ra và tạo ra phản ứng hidro, với nguồn năng lượng giải phóng cực lớn. - Là cần thiết cho việc tạo nên khối lượng rất lớn của hạt nhân. Việc khám phá ra boson W và Z vào năm 1983 đã là một bằng chứng xác thực ủng hộ lý thuyết kết hợp tương tác yếu và tương tác điện từ vào một tương tác là tương tác điện yếu. 1.2.3. Tương tác mạnh Tương tác mạnh hay lực mạnh là một trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên. Lực này giữ các thành phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton. Lực này được chia làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực mạnh dư. Lực tương tác mạnh ảnh hưởng bởi các hạt quark, phản quark và gluon-hạt truyền tương tác của chúng. Thành phần cơ bản giữ các quark lại với nhau để hình thành các hadron như proton và neutron. Thành phần dư giữ các 9
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền hadron lại trong hạt nhân của một nguyên tử. Ở đây còn có một hạt gián tiếp là bosonic hadron, hay còn gọi là meson. Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang trong mình một màu tích, ở một trong ba dạng "đỏ", "xanh lam" hoặc "xanh lá", đó chỉ là những tên, hoàn toàn không liên hệ gì với màu thực tế. Phản quark là các hạt như "đối đỏ", "đối xanh lam", "đối xanh lá". Các hạt sẽ tuân theo quy tắc cùng màu thì đẩy nhau, trái màu thì hút nhau. Các hạt chỉ tồn tại nếu như tổng màu của chúng là trung hòa, nghĩa là chúng có thể hoặc được kết hợp với đối đỏ, đối xanh lam và đối xanh lơ như trong các hạt baryon, proton và neutron, hoặc một quark và một đối quark của nó có sự tương ứng đối màu (như hạt meson). Tương tác mạnh xảy ra giữa hai quark là nhờ một hạt trao đổi có tên là gluon. Nguyên lý hoạt động của hạt gluon có thể hiểu như trái bòng bàn và hai quark là hai vận động viên. Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng càng lớn, nhưng khi chúng gần sát thì lực tương tác này bằng 0. Có 8 loại gluon khác nhau, mỗi loại mang một màu tích và một đối màu tích (có 3 loại màu, nhưng do có sự trung hòa giống như đỏ + xanh lá + xanh lam = trắng ngoài tự nhiên, nên chỉ có 8 tổ hợp màu giữa chúng). Trong mỗi một cặp tương tác của quark thì chúng luôn luôn thay đổi màu, nhưng tổng màu điện tích của chúng được bảo toàn. Nếu một quark đỏ bị hút bởi một quark xanh lam trong một baryon, một gluon mang đối xanh lam và đỏ được giải phóng từ quark đỏ và hấp thụ bởi quark xanh lam, và kết quả, quark đầu tiên chuyển sang quark xanh lam và quark thứ hai chuyển sang quark đỏ (tổng màu điện tích vẫn là xanh lam + đỏ). Nếu một quark xanh lá và một đối xanh lá quark tương tác với nhau trong một meson, một gluon mang, ví dụ như đối đỏ và xanh lá sẽ được giải phóng bởi quark xanh lá và hấp thụ bởi một đối xanh lá quark, và kết quả, quark xanh lá chuyển sang màu đỏ và quark đối xanh lá chuyển sang màu đỏ (tổng màu điện tích vẫn là 0). Hai quark xanh lam đẩy nhau và trao đổi một gluon mang 10
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền điện tích màu xanh lam và đối xanh lam, các quark vẫn dữ nguyên màu tích là màu xanh lam. Hiện tượng các quark không thể dời xa nhau gọi là hiện tượng giam hãm. Có một giả thuyết rằng các quark gần nhau sẽ không tồn tại lực tương tác mạnh và trở thành tự do, giả thuyết này còn gọi là sự tự do tiệm cận. 1.2.4. Tương tác hấp dẫn Trong vật lý học, lực hấp dẫn là lực hút giữa mọi vật chất. Lực hấp dẫn là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên theo mô hình chuẩn được chấp nhận rộng rãi trong vật lý hiện đại. Nó có vai trò quan trọng ở thang đo lớn hay thang thiên văn học. Lực hấp dẫn giữa hai vật có khối lượng là m1 và m2, có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách r giữa chúng được tính theo định luật vạn vật hấp dẫn Newton: Gm1m2 Fg = r2 Với: G ≈ 6.67 x 10−11 N m2/kg2 (gọi là hằng số hấp dẫn) Lực hấp dẫn luôn luôn là lực hút và xảy ra ở đường nối tâm của hai vật với nhau. Lực hấp dẫn của hai vật có độ lớn bằng nhau nhưng ngược hướng nhau, tuân theo đúng định luật thứ ba của Newton. Theo các nhà vật lý hạt thì có một hạt mang tên là graviton hay hạt truyền tương tác của lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn có dạng gần giống với lực Coulomb áp dụng cho các điện tích, vì chúng đều tuân theo luật nghịch đảo bình phương khoảng cách. Điều này đã gợi ra cho Albert Einstein những ý tưởng đầu tiên về việc thống nhất lực hấp dẫn và lực điện từ; tuy nhiên kết quả đã không thành công. Về sau, ở thập niên 1960, người ta đã thống nhất được 3 lực còn lại, được biểu diễn ở trong thống nhất điện-yếu (electroweak unification), đây là sự kết hợp của lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu vào làm một. Ngày nay, các nhà vật lý nhận thấy rằng lực hấp dẫn và lực điện từ có một điểm chung và cả hai đều xuất hiện bởi sự có mặt của các hạt truyền tương tác với 11
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền khối lượng bằng 0. Điều này mở những hướng nghiên cứu mới để thống nhất 4 lực của tự nhiên vào một dạng duy nhất. 12
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Minh Hiền Chương 2 - MÔ HÌNH CHUẨN CỦA CÁC HẠT CƠ BẢN Mô hình chuẩn của các hạt cơ bản là một thành công lớn của vật lý năng lượng cao lý thuyết trong thế kỷ 20. Những tiên đoán của mô hình cho sự phù hợp rất tốt với thực nghiệm. Trong chương này, chúng tôi trình bày những cơ sở lý thuyết cần thiết của mô hình chuẩn như là một sự dẫn nhập cần thiết cho việc mở rộng siêu đối xứng. 2.1. Các thế hệ và cấu trúc hạt trong mô hình chuẩn Đây là lý thuyết kết hợp hai lý thuyết của các hạt cơ bản thành một lý thuyết duy nhất mô tả tất cả các tương tác dưới mức nguyên tử, trừ tương tác hấp dẫn. Hai thành phần của mô hình chuẩn là lý thuyết điện từ yếu mô tả tương tác điện từ và tương tác yếu, sắc động học lượng tử (QCD: Quantum Chromodynamics) mô tả tương tác mạnh. Cả hai lý thuyết đều là lý thuyết gauge, trong đó, tương tác được thực hiện bởi các boson truyền có spin bằng 1. Nhóm đối xứng chuẩn cho Mô hình chuẩn là: % = ()*3+, ⊗ ()*2+. ⊗ )*1+/ Bên cạnh các boson truyền lực, mô hình chuẩn còn chứa hai họ hạt tạo nên vật chất có spin bằng 1/2 là quark và lepton. Chúng được phân chia thành các cặp và nhóm lại thành ba “thế hệ” có khối lượng tăng dần. Vật chất thông thường được tạo nên từ các thành viên của thế hệ thứ nhất: “up” và “down” quark tạo nên proton và neutrino của hạt nhân nguyên tử; electron quay trên các quỹ đạo của nguyên tử và tham gia vào việc kết hợp nguyên tử để tạo thành phân tử hoặc các cấu trúc phức tạp hơn; electron-neutrino đóng vai trò quan trọng trong tính chất phóng xạ và ảnh hưởng đến tính bền vững của vật chất. Các thế hệ quak và lepton nặng hơn được phát hiện khi nghiên cứu tương tác của hạt ở năng lượng cao, cả trong phòng thí nghiệm với các máy gia tốc lẫn trong các phản ứng tự nhiên của các hạt trong tia vũ trụ năng lượng cao ở tầng trên của khí quyển. 13

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA

165 tài liệu

2069 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.