Thế giới hạt quark ( Nguyễn Quốc Trị )

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

105
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Quark là gì ? Quark là một trong hai thành phần cơ bản cấu thành nên vật chất trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Các phản hạt của quark được gọi là các phản quark (antiquark). Quark và phản quark là những hạt duy nhất tương tác trong cả 4 lực cơ bản của vũ trụ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thế giới hạt quark ( Nguyễn Quốc Trị )

Thế giới hạt quark ( Nguyễn Quốc Trị ) I.Quark là gì ? Quark là một trong hai thành phần cơ bản cấu thành nên vật chất trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt. Các phản hạt của quark được gọi là các phản quark (antiquark). Quark và phản quark là những hạt duy nhất tương tác trong cả 4 lực cơ bản của vũ trụ. Hiện nay có 6 hạt quark và 6 phản quark tương ứng: u : up (trên) d : down (dưới) s : strange (lạ) c : charm (duyên) t : top (đỉnh)
b : bottom (đáy) Một tính chất quan trọng bậc nhất của các quark chính là tính chế ngự. Tính chất này đã giải thích tại sao việc đơn quark không được phát hiện trong các thí nghiệm - chúng luôn luôn ở trong các hadron, hạt hạ nguyên tử như các quang tử, neutron và meson. Tính chất cơ bản này đã được rút ra từ trong lý thuyết hiện đại của các tương tác mạnh, gọi là Thuyết sắc động lực học lượng tử (QCD). Mặc dù không có nguồn gốc toán học của tính chế ngự trong QCD, nhưng nó lại dễ dàng được chỉ ra bằng việc sử dụng phương pháp mắt lưới của thuyết gauge hay còn gọi là lattice gauge theory. Quark có thể mang các màu xác định là đỏ, xanh và lá cây. Màu ở đây được hiểu theo nghĩa bóng bởi vì các quark là các fermion(tấc cả các quark đều có spin J=1/2), các fermion tuân theo nguyên lí loại trừ Pauli nên chắc chắn phải mang một màu nhất định để khi kết hợp lại vẫn tuân theo nguyên lí loại trừ Pauli. Đó chính là lí do người ta gán cho các quark một màu nhất định.Với mỗi một quark có
một phản quark theo đúng cách như electron có phản hạt là positron. Các phản quark có các tích màu phản đỏ, phản xanh và phản lá cây. Tổ hợp của các quark, có thể tồn tại tự do, trung hòa về màu. 3 quark trong proton (u, u và d) có các tích màu khác nhau sao cho tích màu tổng của nó là trắng (hay trung hòa). Theo cách mà các phân tử trung hòa điện có thể hình thành các liên kết (thông qua lôi kéo các phần âm và dương của chúng), sự trao đổi lực giữa các photon và nơtron trong hạt nhân diễn ra thông qua các lực màu thoát ra từ các quark của chúng và các hạt mang lực. Lực giữa các quark được được truyền đi bởi các gluon (xuất phát từ “glue” trong tiếng Anh có nghĩa là keo dính) không có trọng lượng, giống như proton. Tuy nhiên, trái với proton, các gluon có tính chất tích màu, chứa một màu và một phản màu. Chính tính chất này làm cho lực màu trở nên phức tạp và khác với lực điện từ. II. Vai trò của quark trong các mô hình hạt cơ bản, và việc xác định bằng thực nghiệm của quark. 1. Cấu trúc quark của một vài hạt cơ bản.
Gell-Mann đã thành công trong việc suy ra một loạt các cấu trúc hadron, bằng cách cho những trị số lượng tử phù hợp gắn vào ba hạt quark và ba phản hạt antiquark, rồi ông để những viên gạch đó ở những vị trí tương quan với nhau để tạo nên baryon và meson, trong đó các trị số lượng tử của chúng chỉ do các trị số của các hạt quark cộng lại. Với nghĩa này thì baryon được gọi gồm có ba quark, ba phản quark và meson gồm một quark và một phản quark. Tính đơn giản và hữu dụng của mô hình này thì thật đáng kinh ngạc, thế nhưng nó sẽ mang lại khó khăn trầm trọng nếu quark thật sự được xem là thành phần vật chất của hadron. Tới nay, chưa hadron nào được phá vỡ mà thành ra các quark cả, mặc dù ta bắn phá chúng với các nguồn năng lượng lớn nhất có thể có,
điều đó có nghĩa là các quark phải được giữ chặt với nhau bằng những lực liên kết cực mạnh. Theo hiểu biết hiện nay của chúng ta về hạt và tương tác của chúng thì những lực này phải bao gồm luôn cả những hạt khác và như thế quark cũng phải có những cấu trúc, cũng như tất cả các hạt có trong tương tác mạnh khác. Mặt dù vậy, mô hình quark vẫn rất thành công nếu tính thêm những qui luật được phát hiện trong thế giới hạt, mặc dù mô hình đó không còn được sử dụng một cách đơn giản nữa. Trong mô hình Gell-Mann nguyên thủy, tất cả hadron có thể được xây dựng bằng ba loại quark và ba phản quark. Nhưng trong thời gian qua, nhà vật lý giả định rằng có thêm những hạt khác để đáp ứng nhiều dạng khác nhau của cấu hadron. Ba hạt quark nguyên thủy được tạm đặt tên là u, d và s, viết tắt của up, down và strange. Sự mở rộng đầu tiên của mô hình quark trên toàn bộ thông tin có được của hạt, là đòi mỗi quark phải xuất hiện trong ba cách khác nhau, hay ba màu. Từ màu được sử dụng nơi đây một cách tùy tiện, không liên hệ gì với màu sắc bình thường. Dựa trên mô hình quark có màu, baryon gồm có ba quark có màu khác nhau, trong lúc đó thì meson gồm có một quark và một phản quark cùng màu. 2. Quark _ Hardron. Dựa vào mô hình quark và lý thuyết nhóm người ta có thể tính được cấu trúc của các hardron ( gồm baryon và meson ) theo bảng dưới đây:
Các meson được xem là trạng thái liên kết q q . Spin toàn phần J=0 hay 1, tùy theo spin thành phần là phản song song hay song; ngoài ra hệ còn có thể có moment quỹ đạo L, mô tả cac trạng thái kích thích dẫn đến spin toàn phần của r r meson là L + J . 1 3 Các baryon là trạng thái liên kết (qqq), với spin toàn phần J = hay 2 2 Các quá trình tán xạ, phân rã, v.v… của hadron đều được quy về các tương tác giữa các quark. Sau đây là vài ví dụ * ρ + → π +π 0
* ω → π + π −π 0 * φ → π + π −π 0 * p + p → Δ+ + + n
*π + + p → K 0 + Λ 3. Quark- Parton Ý tưởng về việc các hadron được cấu tạo từ những phần từ nhỏ hơn được cũng cố thêm sau các thí nghiệm về tán xạ không đàn tính sau của e- lên nucleon, thực hiện ở SLAC,1969 e + N -> e’ + hadrons
Người ta nhận thấy kết quả dường như nucleon gồm các phần tử điểm, mỗi phần tử mang một phần xung lượng trong xung lượng của nucleon, và độc lập nhau cùng tương tác đàn tính với e-. Mỗi phần tử điễm đó Feynman gọi là parton. Người ta giả thiết một cách tự nhiên là các parton hay ít ra một phần của chúng chính là các quark và đúng là như vậy, qua so sánh kết quả các quá trình đàn tính sâu điện và từ yếu, người ta suy được điện tích các parton có giá trị phân số. 4. Sự phát hiện các quark Sự gia tăng mau lẹ của các hạt cơ bản ( các cộng hưởng ) làm người ta nghi ngờ tính “cơ bản” của hạt: các hạt đã thực sự cơ bản chưa hay còn có một cấu trúc bên trong ? Cách suy nghĩ đơn giản nhất là trong số các hạt chỉ có một số ít là thực sự cơ bản, những hạt còn lại là nhưng trang thái liên kết. Ý tưởng trên mãi đến năm 1964, Gell-Mann mới đưa ra những hạt giả định là quark gồm ba hạt cơ bản là u, d, s . Từ đó tên quark đã có tên trong vật lí hạt cơ bản, quark là những hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất hiện nay. Giả thuyết về cấu trúc các hạt quark tạo thành các hardron đã giải thích được nhiều kết quả thực nghiệm, ngoài ra thuyết này còn tiên đoán của một hạt Ω − mà sau đó ít lâu người ta đã tìm thấy bằng thực nghiệm. Năm 1969 xuất hiện giả thuyết cho rằng tồn tại quark thứ tư tên là c mang một số đặc trưng lượng tử mới
là C ( viết tắt từ charm ). Năm 1977 xuất hiện thêm giả thuyết cho rằng có sự tồn tại quark thứ 5 là b có mang số lượng tử mới là b (viết tắt từ bottom). Giả thuyết về hạt b đã được chứng minh khi người ta tìm được hạt sơ cấp Upsilon, đó là một hạt sơ cấp có cấu tạo bb . Ngày nay các nhà vật lí đều thừa nhận sự tồn tại quark thứ sáu gọi là hạt t (top) được tìm thấy tại trung tâm nghiên cứu châu Âu (CERN) vào năm 1994. * Tài liệu tham khảo : 1) Nguyễn Ngọc Giao_ Hạt cơ bản. 2) Dương Hiếu Đấu _ Vật lí hạt sơ cấp 3) Wikipedia, và một số bài viết từ Internet.