Thien van hoc, thien van, kinh thien van, ong nhom, linh kien

Thế giới hạt cơ bản, vai trò của hạt Higgs và công cuộc săn tìm loại hạt này

Sample imageBức tranh tổng quan về một thế giới toàn các hạt nhỏ bé và vai trò của hạt Higgs.

 

 

 

 

 





Lịch sử của con người bao gồm lịch sử khám phá ra các hạt cơ bản theo tiến trình thời gian với kích thước ngày càng nhỏ dần: chất - phân tử - nguyên tử (nguyên tố hóa học) - và thế giới hạ nguyên tử. Nhân sự kiện cỗ máy gia tốc đắt tiền nhất giới LHC vừa phát hiện ra một hạt mới mà rất nhiều người hi vọng nó là "Hạt của chúa" hay các nhà khoa học gọi nó là Higgs boson, mình viết bài này để các bạn có một bức tranh tổng quan về một thế giới toàn các hạt nhỏ bé và vai trò của hạt Higgs. Một số thông tin ở đây có thể chưa đúng theo chuẩn mực khoa học, mình chỉ cố gắng diễn dải một cách dễ hiểu nhất cho các bạn.

Các hạt cơ bản

Trở lại với vấn đề. Mình xuất phát từ kiến thức cơ bản nhất mà các bạn ở đây điều biết: nguyên tử. Chúng ta biết rằng nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích riêng ở giữa và electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh.

Cho tới gần đây, electron được coi là hạt cơ bản vì chúng không thể phân chia được (ít nhất ở thời điểm hiện tại). Electron là một lepton, có nhiều hạt lepton khác và chúng tạo thành các thế hệ lepton mang điện và không mang điện. Electron là thế hệ lepton mang điện thứ nhất, muon (đọc là "miu on") là thế hệ hai và tauon là lepton thế hệ thứ ba. Ba hạt này có điểm chung là có điện tích -1 (đơn vị điện tích), spin 1/2 (khái niệm spin có thể hiểu nôm na là do tính tự quay quay trục của các hạt này) và khối lượng các hạt này tăng dần theo thế hệ. Trong nhiều quá trình phân rã người ta quan sát thấy các lepton mang điện luôn kết cặp với một hạt không mang điện tương ứng, chúng được gọi là các lepton không mang điện hay là neutrino, có 3 loại neutrino tương ứng với các thế hệ lepton: neutrino electron, neutrino muon và neutrino tauon. Cả ba loại neutrino này cũng có spin 1/2 nhưng chúng không mang điện tích và có khối lượng rất bé.

Trong khi đó, hạt nhân lại được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn được gọi là proton va neutron. Tuy nhiên chúng vẫn là các hạt có cấu tạo, các hạt cấu thành chúng được gọi là quark. Có 6 loại quark được biết và chúng cũng tạo thành các thế hệ và thường xuất hiện cùng nhau như các cặp lepton mang điện và không mang điện: up (u) và down (d) (thế hệ 1), charm (duyên - c) và strange (lạ -s) (thế hệ 2), top (t) và bottom (b) (thế hệ 3). Tuy các quark cũng có spin 1/2 nhưng chúng có điện tích không phải là các số nguyên mà là bội số của 1/3 (cụ thể là 1/3 và 2/3 đơn vị điện tích).

Quark và lepton là những hạt cơ bản, hai loại này gộp lại với nhau được gọi là các fermion, tức là những hạt có spin 1/2. Ngoài ra tương ứng với mỗi fermion còn có các hạt gọi là phản fermion, ví dụ phản electron là positron mang điện tích +1.

Các tương tác trong tự nhiên

Chúng ta biết rằng các điện tích thì có thể hút hoặc đẩy nhau. Các fermion cũng tương tự như vậy. Nhưng cơ chế tương tác của chúng như thế nào? Mình sẽ giải thích trường hợp hai electron. Hai electron sẽ tương tác với nhau qua một hạt khác gọi là photon hay là "lượng tử ánh sáng" như chúng ta biết. Giả sử một electron A phát ra một photon và bị lệch khỏi đường đi ban đầu, photon này bay ra và bị hấp thụ bởi electron B khiến electron B lệch đường đi của nó. Như vậy thông qua trao đổi photon hai electron này đi ra xa nhau hay nói cách khác chúng đẩy nhau. Tương tác trao đổi photon như vậy được gọi là tương tác điện từ, hạt như photon gọi là hạt truyền tương tác và tương tác điện tử có ở tất cả các hạt mang điện. Các nhà khoa học cũng định nghĩa 3 tương tác khác với các hạt truyền tương tác tương ứng:[LIST][*]Tương tác hấp dẫn: xuất hiện giữa các vật có khối lượng, hạt truyên tương tác gọi là graviton (tuy nhiên thực nghiệm chưa phát hiện hạt này)[*]Tương tác mạnh (tương tác trong lòng hạt nhân) là tương tác giữa các quark, hạt truyền tương tác gọi là gluon.[*]Tương tác yếu: là loại tương tác xảy ra ở các quá trình phóng xạ và phân rã, hạt truyền tương tác là W+, W- và hạt Z với điện tích tương ứng là +1, -1 và 0.[/LIST]Tất cả các hạt truyền tương tác ở trên gọi là boson, khác với các fermion, boson có spin là một số nguyên. Ví dụ W+, W-, Z hay photon có spin bằng 1. Ở trên đây, lepton khác quark ở điểm là chúng không tham gia tương tác mạnh. Các quark và lepton kết cặp tương ứng với nhau vì nguời ta cho rằng chúng có tính đối xứng spin 1/2 giống như các bạn đã biết sự đối xứng spin giữa proton và neutron.


Bạn sẽ thắc mắc chưa thấy hạt Higgs boson ở đâu?

Các nhà khoa học thường cố gắng làm mọi thứ đơn giản, vì thế họ tìm một lý thuyết chung cho tất cả các tương tác trên. Ngoại trừ tương tác hấp dẫn, một lý thuyết chung cho cả 3 tương tác còn lại đã ra đời và được gọi là Mô hình chuẩn (Standard Model- SM). Vấn đề nằm ở đây, mô hình chuẩn dựa trên những nguyên tắc toán học chính xác gọi là sự đối xứng, và những nguyên tắc toán học này đòi hỏi các hạt lepton và boson truyền tương tác đều phải có khối lượng bằng 0. Nhưng thực tế thì electron và các hạt W+, W- và Z có khối lượng, và chỉ có neutrino có khối lượng gần bằng 0. Như vậy là không ổn, để giải quyết điều này, người ta cho rằng ban đầu các lepton đúng là có khối lượng bằng 0, thời điểm này đã rất xa hiện tại, và các bạn có thể hiểu nó gần mới thời điểm của vụ nổ Big Bang.

Cụ thể hơn, nhiệt độ của vũ trụ khi ấy rất lớn và các hạt do đó chuyển động nhanh và mang năng lượng cao. Khi nhiệt độ vũ trụ giảm đi thì điều đó không còn đúng nữa, người ta cho rằng việc giảm nhiệt này dẫn tới một sự phá vỡ đối xứng giữa các hạt fermion kết cặp ở trên. Đồng thời với sự phá vỡ này, nhà vật lý Peter Higgs đưa vào một hạt boson có spin =1 để khi nó tương tác với các hạt kết cặp nó sẽ truyền khối lượng cho các hạt đó, như vậy thì các lepton mang điện (electron) và các boson truyền tương tác yếu sẽ có khối lượng. Hạt đó sau này được gọi là Higgs boson. Do đó Higgs vô cùng quan trọng với lý thuyết Mô hình chuẩn, có thể nói gần như tất cả những dự đoán của Mô hình chuẩn đã được kiểm chứng, ngoại trừ việc người ta chưa tìm thấy hạt Higgs. Vì thế cuộc săn lùng hạt Higgs trở thành mục tiêu của những chương trình thực nghiệm toàn cầu.

Tại sao cần LHC và Tevantron để tìm Higgs?

Như đã nói ở trên, phá vỡ đối xứng kết cặp chỉ xảy ra ờ thời điểm mà vũ trụ bắt đầu nguội đi sau Big Bang, khi ấy thì hạt Higgs xuất hiện. Vì thế để có thể dò tìm hạt Higgs, người ta cần mô phỏng lại những điều kiện như thế. Các điều kiện này chỉ có thể có ở những máy gia tốc có năng lượng rất cao như LHC (Máy gia tốc hạt lớn) ở CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu, trụ sở chính tại Thụy Sỹ) và Tevantron ở Fermilab (bang Illinois, Hoa Kỳ). Hai hôm trước khi LHC công bố kết quả về hạt mới này các nhà khoa học tại Tevantron cũng đã dần đi tới giới hạn khối lượng của hạt Higgs có thể có và CERN có thể đã tiến gần hơn tới cuộc săn lùng vĩ đại trong lịch sử khoa học này. Các bạn sẽ thắc mắc một chút là tại sao lại có hai máy dò như ATLASCMS hoạt động đồng thời? Lý do ở đây là hai máy này đều kiểm tra các quá trình như nhau, nhưng người ta phải áp dụng những nguyên tắc đo đạc khác nhau để có thể kiểm chứng và đối chiếu kết quả trước khi đi đến kết luận cuối cùng. Việc một máy dò như sự kiện kết luận neutrino chuyển động lớn hơn vận tốc ánh sáng trước đây có thể rất dễ dẫn tới sai lầm.

Nếu hạt mới đúng là Higgs?

Khi đó công cuộc tìm kiếm mảnh ghép cuối cùng của mô hình chuẩn sẽ kết thúc. Môt lý thuyết đẹp tuyệt đã được giải mã hoàn toàn. Thực sự là khi ấy mình không biết điều gì sẽ xảy ra nữa. Có thể người ta đi giải quyết một số vấn đề khác như khối lượng của hạt neutrino, ứng viên vật chất tối và rồi lại nảy sinh một hạt cơ bản mới, thậm chí tương tác mới .... Có thể rất nhiều trong số chúng sẽ được sử dụng để chiếc chíp máy tính bạn chạy với tôc độ chóng mặt hay một cơ chế cho phép bạn du hành vũ trụ.
Nguồn: http://www.tinhte.vn/threads/1361541/
- pvloc90 - HAS

Tin mới :
Tin cũ :

 
  • Bài viết mới

  • LỊCH ÂM DƯƠNG

  • Bài đọc nhiều

  • Tin đáng chú ý

Tin diễn đàn

Mỗi ngày một ảnh thiên văn Sample image Mỗi ngày tại địa chỉ này sẽ cập nhật một ảnh thiên văn từ đó chúng ta có thể biết.
Cuộc thi tên lửa nước 2012 Sample image Hội thiên văn nghiệp dư Hà Nội thông báo về cuộc thi tên lửa nước 2012
Lớp học kính thiên văn Sample image Lớp học kính thiên văn Hội thiên văn nghiệp dư Hà Nội tổ chức năm 2012 .

Video về Mặt Trăng từ lúc hình thành cho đến bây giờ.

Liên kết