Quark

Chia sẻ: Xuan Khuong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

148
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quark có một tính chất vô cùng đặc biệt đó chính là màu. Có ba loại màu: xanh, đỏ, vàng. Ngoài ra, các phản quark tương ứng cũng có các giá trị “phản màu” tương ứng. Hệ tương tác giữa các quark thông qua sự kết hợp khác nhau giữa ba màu này được gọi là tương tác mạnh. Lĩnh vực vật lý nghiên cứu đến tương tác mạnh được gọi là sắc động học lượng tử. Nguồn của tương tác này chính là các “tích màu” và nhận vai trò truyền tương tác chính là cá gluon....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Quark

Mục lục I. Quark là gì ? .................................................................................................................... 1 II. Tính chất của quark ........................................................................................................ 2 III. Lịch sử .......................................................................................................................... 3 IV. Một số vấn đề thực tiễn ................................................................................................ 4
QUARK I. Quark là gì ? Quark là một loại hạt cơ bản và là một thành phần cơ sở của vật chất. Các quark hợp lại tạo thành những hạt nặng hơn được gọi là các hadron, trong đó proton và neutron là hai hạt được biết đến nhiều nhất. Quark trong tự nhiên không bao giờ xuất hiện riêng lẽ, chúng ta chỉ có thể tìm thấy chúng bên trong các hadron. Có 6 loại quark khác nhau, được biết đến như là các “mùi”: up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) và bottom (b). Quark u và d có khối lượng nhỏ nhất trong các quark, do đó chúng bền và rất phổ biến trong vũ trụ. Những quark khác có khối lượng nặng hơn, chúng sẽ từ từ phân rã trở thành các quark u và d. Vì thế, các quark nặng c, s, t, b chỉ có thể được tạo ra trong trong các tán xạ năng lượng cao. Quark có một số tính chất cơ bản, bao gồm điện tích, màu, spin và khối lượng. Mỗi hạt quark đề có một phản hạt tương ứng gọi là các antiquark. Một số tính chất của antiquark mang dấu ngược lại so với quark. Quark còn là các hạt cơ bản duy nhất mang điện tích không phải là nguyên. Quark là các fermion (chúng có spin ½) và chúng phải tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli. Nguyên lý này nói rằng không thể có các hạt fermion cùng lúc chiếm cùng một trạng thái lượng tử. Điều này trái ngược với các hạt boson là mỗi trạng thái lượng tử có thể bị chiếm không giới hạn các hạt. Ngoài ra, không giống như lepton, các quark còn có “màu”, cho phép chúng tương tác lẫn nhau trong tương tác mạnh. Các fermion cơ bản được chia thành ba nhóm, mỗi nhóm gồm 2 lepton và 2 quark. Nhóm đầu tiên bao gồm quark u và d, thứ hai là quark s và c, nhóm thứ ba gồm t và b. Tất cả những sự tìm kiếm cho một nhóm thứ tư đều thất bại và người ta cũng có bằng chứng rằng không tồn tại một nhóm thứ tư. Các hạt trong những nhóm cao thường có khối lượng lớn hơn và độ bền kém hơn, dẫn đến phân rã thành các hạt có khối lượng nhẹ hơn thông qua liên kết yếu. Chỉ có các hạt quark u và d xuất hiện thường xuyên trong tự nhiên, các hạt khác chỉ có thể được tạo ra trong các tán xạ năng lượng cao và nhanh chóng phân rã. Tập hợp các hạt quark khác nhau tạo thành các hadron. Có hai loại hadron: baryon gồm 3 quark và meson gồm một quark và một phản quark. Các quark xác định các số lượng tử của hadron được gọi là các quark hóa trị. Ngoài ra, mỗi hadron có thể chứa một số lượng không giới hạn các quark, các phản quark và các gluon không ảnh hưởng đến số lượng tử của chúng. Seminar Hạt cơ bản Trang 1
Mang trong mình điện tích, mùi, màu và khối lượng, các quark là các hạt cơ bản duy nhất có cả bốn tương tác cơ bản: tương tác điện từ, tương tác yếu, tương tác mạnh và tương tác hấp dẫn. Tuy nhiên, tương tác hấp dẫn thường không phù hợp trong thang đo dưới nguyên tử nên không được mô tả trong môn hình chính thống. II. Tính chất của quark 1. Điện tích Quark có giá trị điện tích là phân số, có thể là  1 hay  2 điện tích nguyên tố (e). 3 3 Các quark u, c và t có điện tích là  2 trong khi đó các quark d, s và b có điện tích  1 . 3 3 Phản quark thì có điện tích trái dấu với hạt quark tương ứng của nó (  1 hay  2 ). Do 3 3 điện tích của hadron là tổng điện tích các quark tạo thành, sự kết hợp của ba quark, ba phản quark hay một quark và một phản quark luôn luôn tạo nên các điện tích nguyên. Ví dụ như các hạt như neutron và proton có điện tích là 0 và +1. 2. Spin Spin là một tính chất cơ bản của các hạt lượng tử. Cũng giống như điện tích, spin của hadron bằng tổng spin của các quark tạo thành và bằng momen xung lượng toàn phần. Spin và có thể mang các giá trị  1 . Thành phần spin dọc theo một trục nào của các quark là 1 2 2 đó, thường người ta lấy trục z, thường được ký hiệu bởi  cho giá trị  1 và  cho giá trị 2  1 , đặt ngay sau ký hiệu của quark. Ví dụ quark u có spin  1 dọc theo trục z được ký 2 2 hiệu là u . 3. Tương tác yếu Một hạt quark chỉ có thể chuyển thành một hạt quark khác thông qua tương tác yếu, một trong bốn tương tác cơ bản trong vật lý. Bằng cách hấp thụ hay bức xạ một boson W, các hạt quark u, c, t có thể chuyển thành các hạt d, s, b hay ngược lại. Quá trình này thường kèm theo sự phân rã beta, trong đó hạt neutron phân rã thành một hạt proton, một electron và một phản neutrino. Điều này xảy ra khi một trong những quark d trong neutron (udd) chuyển thành hạt quark u bằng cách bức xạ một boson W  , làm cho neutron chuyển thành proton (uud). Boson W  sau đó lại phân rã thành electron là phản electron neutrino Seminar Hạt cơ bản Trang 2
 n  p  e   e  udd  uud  e  e Ngoài ra, cũng có một quá trình ngược lại, trong đó proton chuyển thành neutron bằng cách bức xạ một boson W  và sau đó boson này phân rã thành phản electron (positron e  ) và một electron neutrino ( e ) 4. Màu quark và tương tác mạnh Quark có một tính chất vô cùng đặc biệt đó chính là màu. Có ba loại màu: xanh, đỏ, vàng. Ngoài ra, các phản quark tương ứng cũng có các giá trị “phản màu” tương ứng. Hệ tương tác giữa các quark thông qua sự kết hợp khác nhau giữa ba màu này được gọi là tương tác mạnh. Lĩnh vực vật lý nghiên cứu đến tương tác mạnh được gọi là sắc động học lượng tử. Nguồn của tương tác này chính là các “tích màu” và nhận vai trò truyền tương tác chính là cá gluon. Thế giới quan sát được trong thực nghiệm là không có màu, tức là không tồn tại các quark tự do. Các baryon đều cấu tạo từ 3 quark khác màu nhau phối hợp lại tạo nên không màu. Các meson được cấu tạo từ quark và phản quark làm cho các hạt này cũng không màu. 5. Khối lượng Có hai thuật ngữ dùng để chỉ khối lượng của các quark, khối lượng quark hiện tại dùng để chỉ chính khối lượng bản thân quark và khối lượng quark hợp thành dùng để chỉ khối lượng quark cộng với khối lượng trường gluon xung quanh nó. Trong một hadron, hầu hết khối lượng của nó đến từ đến từ các gluon liên kết các quark hợp thành. Như đã biết, các gluon là không có khối lượng, nhưng chúng mang năng lượng – năng lượng liên kết sắc động lực học lượng tử (QCBE) - và năng lượng này đã đóng góp rất lớn vào tổng khối lượng của hadron. Ví dụ một proton gồm một quark d và hai quark u có tổng khối lượng khoảng 938 MeV/c2, trong đó khối lượng của của ba quark chỉ khoảng 11 MeV/c2, số còn lại là từ QCBE. III. Lịch sử Các nhà khoa học của thế kỷ 20 đều tin rằng tất cả vật chất đều bao gồm ba loại hạt cơ bản: proton, neutron và electron và các hạt này không thể được phân chia nhỏ hơn nữa. Tuy nhiên, cuối những năm 1950, mô hình này không còn giải thích được tất cả những hạt mà các nhà vật lý tìm ra. Các nhà khoa học cần một mô hình mới cho vấn đề này. Năm 1964, Murray Gellman và George Zweig độc lập xây dựng nên một lý hạt trong đó các quark chính là các thành phần cấu tạo của proton và neutron. Hai nhà vật lý này chỉ cần hai loại quark để mô tả Seminar Hạt cơ bản Trang 3
một cách chính xác proton và neutron: quark up và down. Cũng vào thời điểm đó, các nhà vật lý cũng tìm ra các loại hạt cơ bản mới và để giải thích cho các hạt này cần đến một loại quark thứ ba: người ta gọi là quark strange. Mặc dù các nhà vật lý không cần hơn ba quark để mô tả các hạt hiện có, Sheldon Glashow (Mỹ), John Iliopoulis (Hy Lạp) và Luciano Maiani (Ý) đã phát triển lý thuyết trong năm 1970 dự đoán rằng tồn tại hạt quark thứ tư gọi là quark charm. Một hạt chứa hạt quark này cũng đã được tìm ra vào năm 1974. Đến 1975, sự tìm ra lepton thế hệ thứ ba dẫn các nhà khoa học tiên đoán rằng có sự tồn tại của các quark thế hệ thứ ba. Sau đó quark bottom được tìm ra năm 1977 và sau một khoảng thời gian dài tìm kiếm, quark top đã được phát hiện năm 1995. Sự tìm ra quark top đã lấp một lỗ trống trong mô hình chính thống. Đây là lý thuyết do các nhà vật lý phát triển để mô tả các hạt và tương tác giữa chúng. Mô hình chính thống đã dự đoán rằng tồn tại ba thế hệ quark, mỗi thế hệ chứa hai loại quark khác nhau. IV. Một số vấn đề thực tiễn 1. Spin của proton Bên trong proton là các quark. Do đó, các tính chất của các phần tử hợp thành này sẽ tạo nên các tính chất của proton. Khi mà bức tranh quark mới được đưa ra vào những năm 1960, các nhà vật lý cho rằng mỗi quark bên trong proton di chuyển bên trong một hình dạng đối xứng cầu, tạo nên một vật thể tương tự như trái banh. Do đó, spin của proton cũng chỉ đơn giản được tạo thành từ spin cơ bản của các quark. Tuy nhiên, cuối những năm 1980, các chứng cớ thực nghiệm bắt đầu cho thấy phần lớn spin của proton có được từ các chuyển động orbital tương đối giữa các quark hơn là các spin riêng lẽ của chúng. Năm 1996, Xiangdong Ji đưa ra một công cụ toán học được Một trong những bức gọi là Generalized Parton Distribution (GPD) và sử dụng nó để ảnh của Ji tính toán các số liệu thực nghiệm và từ đó nghiên cứu các hạt bên trong proton. Tuy nhiên, GDP rất trừu tượng, khó hiểu và chính tác giả cũng thừa nhận là nó có vẻ phức tạp hơn mức cần thiết. Để hiểu được cách của Ji miêu tả cấu trúc bên trong proton, hãy nhớ lại tính chất của hạt lượng tử. Ví dụ một electron bên trong một nguyên tử hydro thường được biểu diễn bởi hình ảnh đám mây electron. Hình dạng orbital p của nguyên tử cho thấy nơi nào electron thường xuất hiện nếu nguyên tử đang ở trong trạng thái p. Tương tự, các quark bên trong proton sẽ Seminar Hạt cơ bản Trang 4
chiếm một thể tích không gian hơn là một vị trí cô định. Do nguyên lý bất định, xung lượng của các quark cũng bất định. Ji chuyển GDP thành những hình ảnh tương tự hình ảnh orbital của nguyên tử hydro. Mỗi hình của Ji cho một bức tranh về các vị trí quark hay xuất hiện nếu người ta chỉ quan sát tại một giá trị xác định của xung lượng. Bức tranh đã cho thấy rằng, các quark không nhất thiết phải chiếm một vùng hình cầu đối xứng. Những hình dạng không phải cầu này cho thấy sự chuyển động của quark không phải là ngẫu nhiên mà phụ thuộc vào vị trí. Ji nói, mối liên hệ giữa xung lượng quark và vị trí gây ra một chuyển động toàn bộ của quark xung quanh một quark khác – mà chúng ta đã quan sát như là spin của proton. 2. Điểm nóng chảy của quark Khi mà nhiệt độ và áp suất của nước thay đổi, nó sẽ chuyển đổi giữa thể rắn, lỏng và khí, nhưng những sự chuyển pha tương tự cũng có thể xảy ra trong những dạng kỳ lạ hơn của vật chất, như là vật chất quark. Vài mô hình hạt nhân dự đoán rằng nếu các proton và neutron, bên trong là các quark, được đưa vào một nhiệt độ đủ lớn, chúng sẽ chuyển thành một dạng chất lỏng của các quark tự do. Loại chuyển pha này chưa bao giờ được quan sát thấy nhưng có một vài thí nghiệm cho thấy có những dấu hiệu để tìm ra những bằng chứng về điều này. Sự chuyển pha thường được mô tả như là biến của nhiệt độ (T) và áp suất (P) và thường được vẽ trên biểu đồ (P, T). Trong đồ thị này, có một biên ở giữa hai pha bất kỳ, nhưng đôi khi có một điểm bên trong đồ thị pha mà khi vượt quá nó sự khác biệt giữa hai pha là không đáng kể. Điểm như vậy gọi là điểm tới hạn, và ví dụ là sự chuyển giữa chất ỏng và khí của nước tại 374oC và áp suất 218atm. Đi dọc theo biên pha, sự khác biệt về mật độ giữa pha lỏng và pha khí giảm dần cho đến điểm mà ở đó chúng trở nên tương đồng. Ta thấy, khi vượt quá điểm tới hạn khái niệm về sự chuyển pha không còn tồn tại. Dựa vào tính chất như vậy, người ta tìm cách tìm ra điểm tới hạn giữa sự chuyển pha từ vật chất bình thường sang vật chất quark để xét sự tương đồng giữa chúng. Misha Stephanov và một vài người bạn đã đề xuất một cách để tìm ra điểm tới hạn cho sự truyền này dựa trên những tính chất chung của sự chuyển pha. Họ nói, một dấu hiệu của điểm tới hạn là một đỉnh trong một nhiệt lượng xác định tại nhiệt độ và mật độ đặc biệt. Một dấu hiệu khác là sự tăng nhanh của các pion năng lượng thấp. Theo thực nghiệm, nhiệt độ và mật độ của các nucleon thì thay đổi theo sự thay đổi của năng lượng tán xạ hạt nhân và những dự đoán này có một ưu điểm là có thể thử nghiệm được dựa vào những công nghệ hiện tại. Tuy nhiên cần chú ý là các dấu hiệu này không nhất thiết là dấu hiệu cho điểm tới hạn vì có thể có những nguyên nhân khác sinh ra nó. Hiện nay, người ta vẫn chưa xác định được chính xác có sự tồn tại của điểm tới hạn này hay không Seminar Hạt cơ bản Trang 5
nhưng lý thuyết vẫn mở ra một con đường mới cho vật lý học thực nghiệm nghiên cứu về các quark. Seminar Hạt cơ bản Trang 6
Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Ngọc Giao (2001). Giáo trình Hạt cơ bản. NXB Đại học quốc gia TPHCM. [2] J. Gribbin, M. Gribbin (1997). Richard Feynman: A Life in Science. Penguin Books. [3] D. Lincoln (2004). Understanding the Universe. World Scientific. [4] A. Watson (2004). The Quantum Quark. Cambridge University Press [5] Wikipedia - http://en.wikipedia.org [6] MSN Encarta - http://encarta.msn.com [7] Focus physical Review - http://focus.aps.org Seminar Hạt cơ bản Trang 7