Tài liệu Sự kiểm chính thực nghiệm của mô hình chuẩn

  • Số trang: 57 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 61 |
  • Lượt tải: 0
quangtran

Đã đăng 3721 tài liệu

Mô tả:

ÂAÛI HOÜC HUÃÚ TRÆÅÌNG ÂAÛI HOÜC SÆ PHAÛM KHOA VÁÛT LYÏ ------ PHAÛM THË MINH HAÍI SÆÛ KIÃØM CHÆÏNG THÆÛC NGHIÃÛM CUÍA MÄ HÇNH CHUÁØN KHOÏA LUÁÛN TÄÚT NGHIÃÛP CHUYÃN NGAÌNH: VÁÛT LYÏ LYÏ THUYÃÚT GIAÍNG VIÃN HÆÅÏNG DÁÙN: ThS. NGUYÃÙN NHÆ LÃ Huãú, Khoïa hoüc: 2009 - 2013 Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của các thæy cô, gia đình và bän bè. Với lòng kính trọng và biết ơn såu sắc nhçt, em xin được bày tỏ lời câm ơn đến cô giáo, Thäc sĩ Nguyễn Như Lê đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Em cũng xin bày tỏ lời câm ơn såu sắc đến những thæy cô giáo đã giâng däy em trong suốt bốn năm qua. Những kiến thức mà em nhận được trên giâng đường đäi học sẽ là hành trang giúp em vững bước trên con đường sự nghiệp sau này. Cuối cùng, em muốn gửi lời câm ơn såu sắc đến tçt câ bän bè, và đặc biệt là cha mẹ và anh trai, những người luôn kịp thời động viên và giúp đỡ em vượt qua những khó khăn trong cuộc sống. Em xin chân thành câm ơn. Huế, tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực hiện Phäm Thị Minh Hâi MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI ................................................................................1 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ...................................................................................2 3. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC ......................................................................2 4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU.......................................................................2 5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..........................................................................2 6. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................................................2 7. BỐ CỤC KHÓA LUẬN .............................................................................3 CHƢƠNG I: CÁC MÔ HÌNH VẬT LÝ TRƢỚCMÔ HÌNH CHUẨN ..... 4 1.1.Xây dựng và phát triển của lí thuyết Fermi .......................................... 4 1.1.1.Vectơ dòng- tƣơng tác dòng, bằng sự tƣơng tự với QED .............. 4 1.1.2.Khám phá về sự vi phạm tính chẵn lẻ và sự bao gồm của nó trong thuyết ....................................................................................................... 5 1.1.3. Thành công và hạn chế của lí thuyết Fermi .................................. 8 1.1.4. Giả thuyết về vectơ boson trung gian ............................................ 9 1.2.Lí thuyết tƣơng tác điện yếu ............................................................... 10 1.2.1. Tóm tắt mô hình mở rộng lí thuyết Fermi ................................... 11 1.2.2. Dự đoán ....................................................................................... 12 CHƢƠNG II: MÔ HÌNH CHUẨN .............................................................. 13 2. 1.Các nguyên lí chung thiết lập lí thuyết Gauge .................................. 16 2.2.Các fermion thuận và nghịch .............................................................. 17 2.3. Chọn nhóm Gauge ............................................................................. 18 2.4. Cơ chế Higgs ..................................................................................... 23 2.5. Sắc động lực học lƣợng tử (QCD) ..................................................... 26 CHƢƠNG III: SỰ KIỂM CHỨNG THỰC NGHIỆM CỦA MÔ HÌNH CHUẨN .......................................................................................................... 28 3.1.Dòng trung hòa tìm kiếm, khám phá, ý nghĩa (chùm hạt nơtrino) ..... 32 3.1.1. Nguyên tắc ................................................................................... 32 3.1.2. Công bố: ...................................................................................... 34 3.2. Khám phá ra vectơ boson trung gian Z ............................................. 35 3.2.1. Nguyên tắc ................................................................................... 35 3.2.2. Công bố ....................................................................................... 35 3.3. Khám phá ra vectơ boson trung gian W[17] ..................................... 36 3.3.1. Nguyên tắc ................................................................................... 36 3.3.2. Công bố ....................................................................................... 38 3.3.3. Kết luận ....................................................................................... 39 3.4. Phép đo giá trị góc trộn yếu sin 2  W ................................................. 40 3.4.1. Nguyên tắc ................................................................................... 40 3.4.2. Kết quả......................................................................................... 41 3.5. Khám phá ra hạt quark t (quark đỉnh) ............................................... 41 3.5.1. Nguyên tắc ................................................................................... 41 3.5.2. Công bố ....................................................................................... 41 3.6. Khám phá ra hạt boson Higgs............................................................ 43 3.6.1. Nguyên tắc ................................................................................... 43 3.6.2. Công bố ....................................................................................... 44 KẾT LUẬN .................................................................................................... 45 SỐ LIỆU CHÍNH XÁC GẦN NHẤT (NĂM 2012).................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 50 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Quá trình phân rã nơtron ...................................................................... 4 Hình 2: Quá trình tán xạ đàn hồi electron – proton .......................................... 4 Hình 3: Quá trình phân rã muon ....................................................................... 5 Hình 5: Thí nghiệm khảo sát sự vi phạm tính chẵn lẻ ...................................... 7 Hình 4: Sự phân cực của các hạt trong thí nghiệm ........................................... 7 Hình 6: Tƣơng tác điện từ dựa trên sự trao đổi của các photon ........................ 9 Hình 7: Tƣơng tác yếu dựa trên sự trao đổi của các boson trung gian ............. 9 Hình 8: Cơ chế Higgs ...................................................................................... 23 Hình 10: Phƣơng pháp phát hiện dấu vết của các hạt ..................................... 28 Hình 9: Thí nghiệm dò tìm quỹ đạo của các hạt ............................................. 30 Hình 11: Quá trình sản xuất hạt boson Z ........................................................ 30 Hình 12: Hàm mật độ các thành phần của proton (Q2=(10 GeV)2) ................ 31 Hình 13: Dòng trung hòa trong tƣơng tác yếu ................................................ 32 Hình 14: Dòng trung hòa trong tƣơng tác yếu ................................................ 32 Hình 15: Thí nghiệm quan sát dòng nơtrino trong phòng thí nghiệm Fermi .. 33 Hình 16: Phƣơng pháp dò hạt bằng sự ion hóa ............................................... 34 Hình 17: Các quá trình ở đó đã khám phá ra các dòng yếu trung hòa ............ 34 Hình 18: Các quá trình ở đó đã khám phá ra các dòng yếu trung hòa ............ 34 Hình 19: Đỉnh và hệ số liên kết trong tƣơng tác fermion - boson .................. 35 Hình 20: Khối lƣợng bất biến của các cặp lepton ........................................... 35 Hình 21: Khám phá hạt boson Z ..................................................................... 36 Hình 22: Đỉnh và hệ số liên kết trong tƣơng tác fermion – boson .................. 37 Hình 23: Đỉnh và hệ số liên kết trong tƣơng tác fermion – boson .................. 37 Hình 24: Khám phá hạt boson W .................................................................... 38 Hình 25: Khám phá hạt boson W .................................................................... 39 Hình 26: Tƣơng tác yếu với sự tham gia của dòng mang điện ....................... 40 Hình 27: Tƣơng tác yếu với sự tham gia của dòng trung hòa ......................... 40 Hình 28: Thí nghiệm khảo sát giá trị của sin 2  W .......................................... 41 Hình 29: Quá trình sản xuất hạt quark top ...................................................... 41 Hình 30: Đo khối lƣợng của hạt quark top ..................................................... 42 Hình 31: Đo khối lƣợng của hạt quark top ..................................................... 42 Hình 32: Máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới LHC (Large Hadron Collider) .... 43 Hình 33: Mô phỏng sự kiện (Sự phân rã thành hạt Higgs sau va chạm ......... 43 của hai proton) xảy ra trong máy gia tốc LHC tại CERN ............................... 43 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các thế hệ quark và lepton ................................................................ 14 Bảng 2: Điện tích và khối lƣợng của các quark và lepton .............................. 15 Bảng 3: Vết chuyển động của các hạt trong máy gia tốc ................................ 29 Bảng 4: Một số đại lƣợng vật lí cơ bản ........................................................... 47 Bảng 5: Các boson Gauge và boson Higgs ..................................................... 47 Bảng 6: Các lepton .......................................................................................... 48 Bảng 7: Quark ................................................................................................. 48 Bảng 8: Một số máy gia tốc hạt lớn trên thế giới............................................ 49 1 MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Từ xa xƣa, con ngƣời đã có tham vọng tìm hiểu cấu trúc cụ thể nhất của vật chất. Mỗi trƣờng phái đều đƣa ra những giả thiết khác nhau tùy thuộc vào trải nghiệm và văn hóa của chính họ, đáng lƣu ý là ý tƣởng về việc vật chất đƣợc tạo bởi các hạt cơ bản đã đƣợc đƣa ra từ thế kỉ VI TCN. Thuyết nguyên tử này đã đƣợc truyền bá bởi những triết gia ngƣời Hy Lạp. Mặc dầu đến thế kỉ XVII, Newton đã nghĩ ra rằng vật chất đƣợc tạo bởi các hạt. Song mãi đến năm 1802, J.Dalton mới chứng minh đƣợc “Mọi vật chất đều đƣợc cấu tạo bởi các hạt cực nhỏ gọi là các nguyên tử” và phải sang thế kỷ XX, lý thuyết về vật lý nguyên tử mới có đƣợc những cơ sở chắc chắn, và cuối cùng phải đến những năm 1980 con ngƣời mới có thể trực tiếp nhìn đƣợc các nguyên tử thông qua kính hiển vi lực nguyên tử. Nhờ sự phát triển của vật lý ở thế kỷ XX, con ngƣời biết đƣợc nguyên tử không phải là đơn vị nhỏ nhất để cấu tạo nên vật chất - nhƣ gợi ý từ tên gọi của nó. Trên thực tế, các nguyên tử lại đƣợc cấu tạo từ các hạt nhỏ bé hơn nữa gọi là các hạt cơ bản. Các hạt này đƣợc chia làm hai nhóm lớn nhóm hạt fermion tạo ra vật chất, nhƣ các quarks trong hạt nhân nguyên tử và các electron ở vỏ nguyên tử..., và nhóm các hạt boson tạo ra trƣờng lực nhƣ các gluon (hạt truyền lực mạnh), W và Z boson (hạt truyền lực yếu), photon (hạt truyền lực điện từ) và graviton (hạt truyền lực hấp dẫn). Vậy mọi vật trong vũ trụ, cả dƣới dạng chất và trƣờng, đều đƣợc tạo thành từ các hạt cơ bản này. Kích thƣớc của các hạt cơ bản vô cùng nhỏ bé, cỡ một phần triệu tỉ mét. Vì thế, muốn hiểu các hạt này thì phải có các lý thuyết để khảo sát ở kích thƣớc này. Lý thuyết đó là cơ học lƣợng tử. Lực tồn tại trong thế giới lƣợng tử là lực mạnh, lực yếu và lực điện từ, tùy thuộc vào đối tƣợng khảo sát. Còn ở khoảng cách cực lớn, thƣờng chỉ xuất hiện trong các nghiên cứu thiên văn, thì thế giới lại đƣợc mô tả bởi một lý thuyết khác. Đó là thuyết tƣơng đối. Lực tồn tại trong thế giới thiên văn là lực hấp dẫn. Nhƣ vậy là có bốn loại lực ngự trị trong tự nhiên là lực mạnh, lực yếu, lực điện từ và lực 2 hấp dẫn. Theo đó, các nhà vật lý mong muốn tìm đƣợc một lý thuyết có thể thống nhất đƣợc cả bốn loại lực trên. Họ đã thành công trong việc thống nhất ba lực yếu, lực mạnh và lực điện từ bằng một lý thuyết gọi là Mô hình chuẩn - một trong những thành tựu đáng nể của vật lý thế kỷ XX. Mặc dù Mô hình chuẩn đƣợc công nhận là đúng thông qua những thí nghiệm kiểm chứng hiện đại nhất ngày nay, tuy nhiên nó vẫn chƣa hoàn chỉnh để có thể mô tả tự nhiên một cách trọn vẹn. Điều đó có nghĩa là việc tìm hiểu và nghiên cứu sự kiểm chứng thực nghiệm về Mô hình chuẩn, những thành công và hạn chế là rất cần thiết trong việc tìm hiểu bản chất của các hạt cơ bản nói riêng và hoàn thiện các lí thuyết về vật lí hạt nói chung. Đó là lí do tôi chọn đề tài “ Sự kiểm chứng thực nghiệm của Mô hình chuẩn”. 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu sự xác nhận thực nghiệm về Mô hình chuẩn mô tả tƣơng tác giữa các hạt vật chất. 3. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Từ việc áp dụng lý thuyết về phân rã yếu trong lý thuyết Fecmi và lí thuyết điện yếu để xem xét sự kiểm chứng thực nghiệm của Mô hình chuẩn. 4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu một số vấn đề tổng quan bao gồm các vấn đề về lý thuyết Fecmi, lí thuyết điện yếu.  Nghiên cứu các kết quả thực nghiệm, tìm hiểu các dự đoán mới, các khám phá mới từ đó đối chiếu với Mô hình chuẩn. 5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Các tƣơng tác trong Mô hình chuẩn: tƣơng tác điện yếu và tƣơng tác mạnh. 6. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  Thu thập và xử lí tài liệu.  Sử dụng phƣơng pháp của lí thuyết trƣờng lƣợng tử để tính một số thông số của hạt cơ bản (thời gian sống, tốc độ phân rã, hằng số liên kết). 3 7. BỐ CỤC KHÓA LUẬN Ngoài các phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, phần nội dung của luận văn gồm 3 chƣơng Chƣơng I: Các mô hình vật lí trƣớc Mô hình chuẩn. Chƣơng II: Mô hình chuẩn. Chƣơng III: Sự kiểm chứng thực nghiệm của Mô hình chuẩn. 4 CHƢƠNG I CÁC MÔ HÌNH VẬT LÝ TRƢỚCMÔ HÌNH CHUẨN 1.1.Xây dựng và phát triển của lí thuyết Fermi 1.1.1.Vectơ dòng- tương tác dòng, bằng sự tương tự với QED Lý thuyết tƣơng tác yếu lần đầu tiên đƣợc Fermi xây dựng khi nghiên cứu  quá trình phân rã  1933 n  p  e  e . Ở đây, 4 hạt đều là fermion nên lý thuyết tƣơng tác của Fermi còn gọi là lý thuyết tƣơng tác 4 fermion. Lý thuyết tƣơng tác yếu Fermi đƣợc xây dựng tƣơng tự lý thuyết trƣờng điện từ. Theo ông đó là quá trình tƣơng tác trực tiếp giữa 2 dòng dòng hadron chuyển thành và dòng lepton sinh cặp electron – phản nơtrino. Kí hiệu 2 dòng này là và .Ở đây là toán tử sinh proton hoặc hủy phản proton, còn n là toán tử hủy nơtron hoặc sinh phản nơtron. Vậy dòng là dòng sinh và hủy và hủy , tƣơng tự dòng là dòng sinh . Cả 2 dòng này đều là dòng mang điện [1]. Ví dụ, quá trình phân rã nơtron nhƣ sau n  p  e   e   M  GF n  p  e  e  Hình 1: Quá trình phân rã nơtron Tƣơng tự, ta có quá trình tán xạ đàn hồi electron - proton, hay quá trình phân rã muon p  e  p  e M e q 2  p  p   e   e  , Hình 2: Quá trình tán xạ đàn hồi electron – proton 5    e   e       M  GF     e  e . Hình 3: Quá trình phân rã muon 1.1.2.Khám phá về sự vi phạm tính chẵn lẻ và sự bao gồm của nó trong thuyết Số lƣợng tử chẵn lẻ không gian là số lƣợng tử gắn liền với biến đổi nghịch đảo không gian. Nếu không gian có tính đối xứng gƣơng thì số chẵn lẻ trong không gian phải tuân theo định luật bảo toàn. Giả thuyết về sự không bảo toàn tính tính chẵn lẻ trong tƣơng tác yếu đƣợc hai nhà bác học Lý Chính Đạo và Dƣơng Chấn Ninh đƣa ra đồng thời với cái gọi là “vấn đề    ”. Vấn đề đó nhƣ sau Trong phân rã của   và   , chúng phân rã theo các phƣơng trình sau        0,           . Vậy, rõ ràng chúng phân rã theo hai cách khác nhau nhƣng mọi đặc trƣng của   và   nhƣ khối lƣợng  m m 495MeV  , thời gian sống  ~  ~ 12ns  ... lại hoàn toàn giống nhau, ngoại trừ số chẵn lẻ không gian khác nhau.     P     P       1. P    P   0  1, Vậy   và   là hai hạt khác nhau hay chúng là một hạt? Về vấn đề này, hai nhà bác học Lý và Dƣơng [13] cho rằng chúng chỉ là một hạt (bây giờ gọi là hạt K  ) và tƣơng tác gây ra sự phân rã của các hạt đó không bảo toàn tính chẵn lẻ. Hạt K  có số chẳn lẻ âm   1 , phân rã theo hai kênh 6 + Phân rã θ bảo toàn tính tính chẵn lẻ. + Phân rã τ không bảo toàn tính chẵn lẻ. Năm 1956, thí nghiệm của bà Vũ Diên Xƣơng [14] và các cộng tác viên chứng minh sự không bảo toàn tính chẵn lẻ trong tƣơng tác yếu đã đƣợc thực hiện.  Thí nghiệm a) Bố trí thí nghiệm Hạt nhân coban đƣợc đƣa đến nhiệt độ rất lạnh và đặt trong từ trƣờng đƣợc tạo ra bởi dòng điện tròn. b) Nội dung thí nghiệm Trong thí nghiệm này ngƣời ta đã nghiên cứu sự phụ thuộc xác suất phân rã vào góc giữa vectơ phân cực X của hạt của các hạt nhân phân cực coban 60 nhân coban và vectơ xung lƣợng của các electron bay ra trong phản ứng Co60  Ni 60  e   e . Hạt nhân coban 60 là thuận từ, momen từ lớn vì spin có giá trị J  5. Do vậy dễ dàng định hƣớng trong từ trƣờng mạnh. Để chuyển động nhiệt không ảnh hƣởng đến sự định hƣớng này, ngƣời ta đặt coban trong buồng lạnh đến 0,06K và cho một dòng điện tròn chạy quanh coban tạo từ trƣờng H vuông góc với mặt phẳng dòng điện. Coban tự phân rã theo phản ứng Co60  Ni 60*     Ni 60*  Ni 60     . Xác suất phát xạ electron với xung lƣợng P bởi các hạt nhân trong trƣờng     hợp tổng quát cho bởi biểu thức  p X  o 1   PX . + là xác suất phát xạ của electron bởi các hạt nhân không phân cực. + Thông số  đặc trƣng cho sự bất đối xứng trong sự bay ra của electron đối với hƣớng của vectơ phân cực của hạt nhân.     Nếu trong phân rã tính chẵn lẻ bảo toàn thì rằng là  p X   p  X . 7 Điện từ trƣờng Spin hạt nhân Hình 5: Thí nghiệm khảo sát sự vi phạm tính chẵn lẻ c) Kết quả thí nghiệm + Bằng cách đƣa hạt nhân coban đến nhiệt độ rất lạnh, hạt nhân coban định hƣớng dọc theo từ trƣờng. + Các photon từ hạt nhân Niken kích thích ƣu tiên phân bố dọc theo “đƣờng xích đạo” của hệ thống, vì vậy nó cho phép khảo sát và đo lƣờng sự phân cực của hệ thống. + Trong trạng thái này, các electron từ phân rã ƣu tiên phân bố ngƣợc hƣớng với từ trƣờng. Hình 4: Sự phân cực của các hạt trong thí nghiệm 8 d) Kết luận Tính chẵn lẻ đã bị vi phạm. 1.1.3. Thành công và hạn chế của lí thuyết Fermi  Thành công  Lý thuyết Fermi phát triển dựa trên sự tƣơng tự với điện động lực học (QED) mô tả tƣơng tác yếu.  Đƣa ra đƣợc một bức tranh tổng thể về phân rã (trong hạt nhân, phân rã pion, phân rã muon), quá trình bắt electron.  Hạn chế và giải quyết  Lý thuyết không giới thiệu vectơ boson trung gian. Sự thiếu sót này đƣợc thay thế bằng hằng số liên kết nhỏ GF ~ 105 GeV 2 .  Không khảo sát sự vi phạm tính chẵn lẻ trong phân rã . Sự vi phạm tính chẵn lẻ đƣợc đề xuất lần đầu tiên trong phân rã K  2 ,3 , sau đóđƣợc xác nhận trong phân rã . Những đặc trƣng mới này sau đó đã đƣợc bổ sung trong lí thuyết Fermi. Dòng mang điện trong lý thuyết Fermi là dòng vectơ (4 chiều) nên các nhà vật lí phải đƣa ra rằng dòng yếu thực phải là hiệu của một vectơ (V-Vectơ) và một vectơ trục (A-Axial) gọi là dòng V  A của tƣơng tác yếu.  Trong lí thyết tồn tại một số sai lầm về mặt toán học. Sau đó đã có một sự sửa đổi nhỏ trong lí thuyết Fermi.         Từ M  GF n  p  e  e  sửa đổi thành M  GF n  1   5 p  e  1   5 e .  Theo lý thuyết Fermi thì dòng yếu là dòng mang điện khác với tƣơng tác điện từ là dòng trung hòa. Và lý thuyết sơ khai đó của Fermi đƣơng nhiên không thể giải thích đƣợc mọi quá trình tƣơng tác yếu vì số hạt cơ bản (đặc biệt là lepton) lúc đó chƣa phát hiện nhiều. Nhƣ chúng ta đã biết, các hadron (nơtron, proton, …) đƣợc cấu tạo từ các quark. Do đó để tổng quát các dòng hadron cụ thể phải đƣợc thay bằng các dòng quark. Vậy dòng lepton đầy đủ là e e      . Dòng quark đầy đủ cũng bao gồm 6 quark .Ở 9 đây d ' , s' , b' là tổ hợp tuyến tính của các toán tử d , s, b gọi là các quark quay. Vậy dòng yếu mang điện toàn phần là Lagrange tƣơng tác của dòng mang điện là là dòng điện hợp hermit của là hằng số tƣơng tác yếu. 1.1.4. Giả thuyết về vectơ boson trung gian Lý thuyết tƣơng tác yếu theo thuyết Fermi tuân theo cơ chế tƣơng tác trực tiếp giữa các fermion và giữa các dòng mang điện và dòng trung hòa. Tuy nhiên, trên thực tế, trong tƣơng tác yếu tồn tại thêm mộtcơ chế tƣơng tác khác. Cơ chế này dựa trên sự trao đổi của các vectơ boson trung gian tƣơng tự nhƣ tƣơng tác điện từ đƣợc thực hiện dựa trên sự trao đổi của các photon. p  e  p  e . Hình 6: Tƣơng tác điện từ dựa trên sự trao đổi của các photon Ở đây, tƣơng tác yếu đƣợc thực hiện thông qua sự trao đổi (phát xạ và hấp thụ) của các hạt trung gian nào đó. Ngƣời ta gọi các hạt trao đổi này là boson trung gian. Các lepton và quark tƣơng tác với nhau bằng cách phát xạ và hấp thụ các boson trung gian. Hình 7: Tƣơng tác yếu dựa trên sự trao đổi của các boson trung gian 10 Trong tƣơng tác yếu có sự tham gia của dòng mang điện và dòng trung hòa nên phải tồn tại 2 loại boson trung gian boson mang điện và boson trung hòa. Boson mang điện thực hiện tƣơng tác giữa các dòng điện, boson trung hòa Z0 thực hiện tƣơng tác giữa các dòng trung hòa. Cả 3 boson có spin bằng 1. Nhƣ ta biết khối lƣợng hạt trao đổi tỉ lệ nghịch với bán kính tác dụng của tƣơng tác. Bán kính tác dụng của tƣơng tác điện từ là nên khối lƣợng hạt trao đổi (photon) bằng không. Còn bán kính tác dụng của tƣơng tác yếu rất nhỏ nên các boson trung gian phải có khối lƣợng. Năm 1981, ở CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire - Tổ chức nghiên cứu hạt nhân Châu Âu) phát hiện ra các boson trung gian trong thí nghiệm va chạm của proton lên phản proton. Khối lƣợng tƣơng ứng là M W  80 GeV, M Z  91 GeV. 1.2.Lí thuyết tƣơng tác điện yếu Lí thuyết tƣơng tác điện yếu hợp nhất hai lực cơ bản của tự nhiên. Đó là lực tƣơng tác yếu và lực điện từ. Lí thuyết này đƣợc so sánh với sự hợp nhất của Maxwell về điện và từ. Từ lí thuyết này, các nhà khoa học đã đƣa ra đƣợc nhiều dự đoán đƣợc thực nghiệm xác nhận. Lí thuyết điện yếu mô tả cấu trúc và tính chất của lí thuyết trƣờng với đối xứng toàn cục (global symmetries) và đối xứng cục bộ (local symmetries), dẫn đến việc xây dựng Mô hình chuẩn. Lí thuyết gồm ba phần chính:  Phần 1 là quá trình thống nhất hai tƣơng tác yếu và tƣơng tác điện từ.Phần này đƣa ra một cái nhìn tổng quát về những bƣớc đầu tiên của sự phát triển lí thuyết điện yếu khi lí thuyết này còn dựa trên những quy tắc thực nghiệm.  Phần 2 là lí thuyết trƣờng với đối xứng toàn cục và đối xứng địa phƣơng. Phần này trình bày lí thuyết trƣờng dựa trên tính đối xứng liên tục và lí thuyết điện yếu dựa trên nhóm SU (2) U (1) .  Phần 3 là kết quả thí nghiệm và so sánh. Phần này bao gồm một trong số những khám phá quan trọng trong quá trình xác nhận lí thuyết điện yếu [3]. 11 1.2.1. Tóm tắt mô hình mở rộng lí thuyết Fermi Feynman, Gell-Mann đƣa ra Hamilton cho tƣơng tác yếu nhƣ sau: H GF J  J  , 2 trong đó, GF là hằng số Fermi. Dòng tƣơng tác yếu là J   J had  J lep , trong đó dòng tƣơng tác yếu của các lepton là J lep    e,  ,    1   5  , và dòng tƣơng tác mạnh là:  J had  JV  J A ,   với JV là dòng vectơ, J A là dòng trục. Lí thuyết tƣơng tác điện yếu dựa trên Hamilton trên gọi là lí thuyết tƣơng tác yếu vạn năng V-A. Đặc điểm của dòng V-A là  Các dòng vectơ bảo toàn   JV  0.  Các dòng trục không bảo toàn  J A  S  0   C  ,  J A  Ck  ,  S 1 trong đó   Là hàm sóng của meson   ,   Là hàm sóng của meson K  . k  Các dòng tƣơng tác yếu bảo toàn số lạ  S  0  và không bảo toàn số lạ  S  1 liên hệ với dòng tƣơng tác mạnh J had  cos c J S  0  sin c J S 1 , trong đó,  c là góc Cabibbo [2]. 12 1.2.2. Dự đoán Từ khi giới thiệu lí thuyết điện yếu năm 1967, dựa vào lí thuyết, các nhà khoa học đã có nhiều khám phá quan trọng, thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu chuyên sâu. Các khám phá đó bao gồm:  Sự tồn tại của dòng trung hòa.  Tính chất của các hạt boson W và Z.  Tính chất của các quark và các meson chứa quark nặng.  Sự dao động của nơtrino.  Bất đối xứng CP trong phân rã các meson K, D, B.  Sự tồn tại của hạt boson Higgs. 13 CHƢƠNG II MÔ HÌNH CHUẨN  Quá trình thống nhất tương tác điện yếu Vào năm 1957, lần đầu tiên Julian Schwinger đề xuất ý tƣởng thống nhất tƣơng tác điện từ và tƣơng tác yếu. Năm 1961, Salam và Ward phát minh ra nguyên lí Gauge. Nguyên lí này là cơ sở để xây dựng các lí thuyết trƣờng lƣợng tử của các trƣờng tƣơng tác cơ bản. Năm 1964, ba nhóm tác giả độc lập là Higgs; Englert và Brout; Guralnik, Hagen và Kibble đƣa ra lí thuyết trƣờng với sự phá vỡ đối xứng tự phát, các boson Goldstone không có khối lƣợng và các vectơ boson có khối lƣợng. Salam và Ward [15] (năm 1968) và Weinberg [16] (năm 1967) đã độc lập phát minh ra dạng Lagrangian mô tả thống nhất tƣơng tác điện từ và tƣơng tác yếu, hay còn gọi là tƣơng tác điện yếu. Lí thuyết tƣơng tác điện yếu dựa trên nhóm đối xứng chuẩn SU (2) L  U (1)Y . Năm 1971, Hooft đã chứng minh một cách chặt chẽ tính tái chuẩn hóa của các lí thuyết trƣờng lƣợng tử Yang - Mills không có khối lƣợng cũng nhƣ có khối lƣợng với bất biến chuẩn phá vỡ đối xứng tự phát. Trên cơ sở các tiến bộ vƣợt bậc về các mặt lí thuyết, thực nghiệm và mô hình hóa, trên xu hƣớng hợp nhất các tƣơng tác, năm 1974, lần đầu tiên John Iliopoulos đề xuất Mô hình chuẩn (Standard Model). Theo mô hình này, tƣơng tác điện từ, tƣơng tác điện yếu và tƣơng tác mạnh đƣợc mô tả thống nhất bởi một lí thuyết trƣờng lƣợng tử dựa trên nhóm đối xứng chuẩn SU (3)c  SU (2) L  U (1)Y . Đến năm 1978, tại Hội nghị Quốc tế về Vật lí năng lƣợng cao ở Nhật Bản, những khẳng định thực nghiệm về Mô hình chuẩn đã đƣợc đánh giá và xác nhận.  Mô hình chuẩn  Mô hình chuẩn đƣợc xây dựng dựa trên nhóm chuẩn SU (3)c  SU (2) L  U (1)Y của các phép biến đổi chuẩn Unitary. SU  3 là nhóm đối xứng phi Abel của tƣơng tác mạnh. Các trƣờng chuẩn gluon liên kết với các tích màu theo cách thức đƣợc mô tả trong QCD. SU  2  là nhóm spin đồng vị 14 điện yếu phi Abel. Siêu tích Y liên hệ với điện tích Q và spin đồng vị thức Y  2  Q  I3  . Trƣờng hòa theo hệ liên hệ với nhóm U 1 trộn với thành phần trung ba thành phần tạo nên trƣờng photon và trƣờng điện yếu . Lí thuyết chuẩn về tƣơng tác điện yếu dựa trên nhóm đối xứng SU  2   U 1 đƣợc gọi là lí thuyết Glashow – Salam – Weinberg (GWS).  Các quan sát thực nghiệm cho kết quả phù hợp với Mô hình chuẩn ở độ chính xác rất cao. Mô hình chuẩn cho ta một cách thức mô tả tự nhiên từ kích thƣớc vi mô cỡ cho tới các khoảng cách vũ trụ cỡ và đƣợc xem là một trong những thành tựu lớn nhất của loài ngƣời trong việc tìm hiểu tự nhiên. Mô hình chuẩn đƣợc tóm tắt ở 3 điểm cơ bản. + Vật chất đƣợc cấu tạo từ các yếu tố cơ bản là lepton và quark Bảng 1: Các thế hệ quark và lepton Thế hệ Quark I II III u c t d s b Lepton e Các quark và lepton đƣợc chia thành 3 thế hệ có cấu trúc giống nhau (bảng 1), là thành viên của 1 nhóm các hạt đƣợc gọi là fermion (hạt có spin bán nguyên). Cả quark và lepton đều đƣợc phân thành từng cặp. Ví dụ quark đƣợc chia thành u (up - lên) và d (down - xuống), c (charm - duyên) và s (strange - lạ), t (top - đỉnh) và b (bottom - đáy). Vào năm 1995, tại phòng thí nghiệm Fermi, ngƣời ta đã tìm bằng chứng thực nghiệm của quark cuối cùng - quark t. Các nhà khoa học đã chứng tỏ rằng các quark kết hợp thành các tam tuyến để tạo ra các barion hoặc kết hợp thành các cặp quark- phản quark để tạo ra meson. Lepton cũng kết hợp thành từng cặp. Các hạt electron, muon và tau đều có một nơtrino tƣơng ứng không mang điện, có khối lƣợng bé. Electron giống nhƣ proton và
- Xem thêm -