Nhật ký lượng tử - cuộc thám hiểm thế giới vật lý hạt/Bài 3. QED + μ giới thiệu về muon

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm

1. Làm quen với anh bạn mới μ

Đây là lúc quay trở lại chuyến thăm dò tiếp tục của chúng ta về cấu trúc của các mô hìnhtiêu chuẩn. Công cụ chính vẫn là sơ đồ Feynman, đã được giới thiệu trong bài viết trước (bài 1, 2). Đến nay chúng ta đã tự làm quen với điện động lực học lượng tử của mình (QED): lý thuyết về các electron, positron, và photon. Công việc bây giờ là bắt đầu thêmvào phần xây dựng mô hình chuẩn. Chúng ta sẽ khởi sự với các muon, được miêu tả dướiđây bởi nghệ sĩ Julie Peasley, Los Angeles. (Những con thú bằng vải thủ công này có thể được tìm thấy tại trang web, The Particle Zoo.)

Bai-3-QED-µ-gioi-thieu-ve-muon-1.png

Chúng ta đều quen thuộc với điện tử. Nhưng nào, hãy làm quen với một anh em họ (nặng hơn) của nó, tên là muon (μ). Những muon này đã đến từ đâu? Hoặc, như nhà vật lý đoạtgiải Nobel I.I. Rabi đã từng thắc mắc, "Ai đã ra lệnh điều đó?" (Đây vẫn còn là một câuhỏi chưa được trả lời!) Bên cạnh khối lượng của nó, muon có các thuộc tính cơ bản giốngnhư các điện tử: nó có cùng điện tích, cảm giác giống nhau lực, và - giống như các điện tử- nó cũng có đối tác phản hạt.

2. Quy luật Feynman cho QED + μ

Đây là cách làm để khi mở rộng quy tắc Feynman được thực sự dễ dàng. Chúng ta sẽ gọilý thuyết này là " QED + μ," điện động lực học lượng tử với một hạt bổ sung muon. Chỉcần phải viết các quy tắc cho hai bản sao của QED như sau:

Bai-3-QED-μ-gioi-thieu-ve-muon-2.jpg

Chúng ta hãy nhớ lại cách giải thích này. Ba dòng đó cho chúng ta biết rằng có ba loại(hoặc hạt) trong lý thuyết: các điện tử (e), hạt muon (μ), và photon (γ). Với các hạt vật chất,là những hạt có dòng mang một mũi tên, và cũng có phản hạt của nó. Chúng ta quy địnhphản hạt bằng mũi tên quay về hướng ngược lại khi đọc các sơ đồ từ trái sang phải. Các quytắc về đỉnh (nút) cho chúng ta biết rằng có hai loại tương tác: một photon có thể tương tácvới hai electron hoặc hai muon.

Điều quan trọng cần lưu ý là chúng ta không thể có những liên kết photon mà lại kết hợpcác electron và muon. Theo định luật bảo toàn, chúng ta nói rằng số điện tử và số muon làđược bảo toàn theo từng loại. Ví dụ, trong lý thuyết đã phát triển cho đến nay, bạn có thểkhông có một phân rã muon thành một electron và photon. (Chúng ta sẽ giới thiệu các loạitương tác trong thời gian tới khi có dịp thảo luận về lý thuyết điện yếu.)

Bài tập nhỏ 1: Sơ đồ sau đây có được cho phép trong QED + μ không?

Bai-3-QED-μ-gioi-thieu-ve-muon-3.jpg

Trả lời: Có! Nhưng liệu điều này này không vi phạm tính bảo toàn của số điện tử vàmuon? Bạn bắt đầu với hai e là bên trái và kết thúc với hai μ. Gợi ý: Những điều gì mà các mũi tên nói với bạn? (hạt, phản hạt!)

Một khi bạn đã tự thuyết phục bản thân rằng sơ đồ trên không vi phạm sự bảo toàn electronhoặc muon, hãy để tôi lưu ý rằng đây là một cách dễ dàng để sản xuất các muon tại các máyva chạm electron năng lượng thấp (LEC). Bạn chỉ cần đập vỡ một electron với mộtpositron và đôi khi bạn sẽ kết thúc với một cặp muon-antimuon mà bạn có thể phát hiện rabằng thực nghiệm.

Bài tập nhỏ 2: Trước đó, khi thực hiện tán xạ electron-positron thành electron-positron,chúng ta phải bao gồm hai sơ đồ. Tại sao chỉ có một sơ đồ cho tán xạ eμ thành eμ? Gợi ý: Hãy vẽ hai biểu đồ cho tán xạ ee thành ee và kiểm tra xem liệu các quy tắcFeynman vẫn cho phép cả hai sơ đồ nếu chúng ta chuyển đổi các trạng thái cuối cùng thànhmuon.

3. Phát hiện các hạt muon - một số va chạm vật lý

Nếu nghĩ thêm về điều này một chút, bạn có thể tự hỏi: nếu các điện tử và muon rất tươngđồng nhau, thì làm thế nào thực nghiệm có thể phân biệt chúng trong một máy va chạm?Hai bạn Seth và Mike có thể trách cứ tôi vì đã bỏ qua một số thông tin về sự tương tác củacác hạt mang điện qua vật chất, nhưng một trong những cách đơn giản để phân biệt muonvới electron là việc đo năng lượng và xung lượng của chúng. Chúng ta biết rằng nănglượng (ra khỏi thế năng) của một hạt là tổng của động năng của nó cộng với năng lượng khối được cộng thêm theo cầu phương E2 = m2c4 + p2c2 (đây là phiên bản "thực" của E=mc2).

Bởi vì hạt muon nặng hơn các điện tử nên chúng ta chỉ có thể kiểm tra khối lượng của hạtbằng cách căn cứ vào năng lượng được đo và động lượng mà thôi.

Trên thực tế, đây là một hình ảnh đơn giản. Để không làm phiền các blogger khác củaUS/LHC, tôi muốn cung cấp tốt hơn bằng một ấn bản " hoạt hình ". Các electron hơi nhẹ,vì vậy bạn hãy tưởng tượng rằng chúng là những quả bóng ping-pong nhỏ nhắn. Ngược lại,các hạt muon thì nặng, vì vậy hãy tưởng tượng chúng như các quả bóng bowling to hơn.Như bạn đã biết, các máy dò LHC rất lớn và đầy đủ các công cụ... bởi đó điều chúng tamuốn nói đến là những cái lần lượt được tạo thành từ hạt nhân và một đám mây điện tử. Vìthế chúng ta có thể tưởng tượng đến một biển cả gồm những quả bóng bàn. Khi các electron tông vào các hố bóng này, chúng sẽ phân phối tất cả năng lượng của mình vào cácquả bóng khác. Điều này xảy ra trong nhiệt lượng kế điện từ (electromagnetic calorimeter), hoặc còn gọi là ECAL. "Calor" là tiếng Latin chỉ về nhiệt, nên bạn có thể đoán rằng ECALthực sự chỉ là một nhiệt kế lớn thích hợp để đo năng lượng mà điện tử phân tán. Trong khiđó các muon, là quả bóng bowling rất lớn chúng chỉ cần xuyên thẳng qua các hố bóng đểchui tọt qua phía bên kia là xong. Dưới đây là một hình ảnh minh họa vui và rất khoa học.

Bai-3-QED-μ-gioi-thieu-ve-muon-4.jpg

Hy vọng rằng chúng ta sẽ không nhận được bất kỳ ý kiến nào nói rằng, " Ồ bạn ơi, muon làđồ ngớ ngẩn " Trong thực tế, hoàn toàn ngược lại: muon là các hạt mô hình chuẩn duynhất, mà làm điều này bằng mọi cách để muon đến được ngoại vi của máy dò, sẽ dễ dànggiúp chúng ta để nhận dạng chúng. Trong thực tế, nam châm hình xuyến khổng lồ trên cácmáy dò ATLAS dưới đây là để uốn cong đường đi của hạt muon, giúp thiết bị phát hiệnngoại vi xác định động lượng muon bằng cách đo độ cong của quỹ đạo của chúng.

Bài tập nhỏ 3: [Cho các bạn nào muốn tính toán thực tế, đòi hỏi bạn có một kiến thức vậtlý trung học phổ thông]. Hãy thuyết phục bản thân rằng hình ảnh phỏng đoán này là chínhxác bằng cách tính toán xung lượng cuối cùng của một quả bóng va chạm đàn hồi với

(a) một quả bóng có cùng khối lượng và

(b) một quả bóng có khối lượng nhẹ hơn nhiều.

ATLAS toroidal magnets. Image from the Interactions.org Image Bank

4. Những điều gọn gàng mà muon có thể làm được

Bạn hãy lưu ý một vài nhận xét sau: mô hình QED + μ của chúng ta chỉ mới là một mónđồ chơi lý thuyết. Theo lịch sử, các nhà khoa học nhận biết ngay rằng có một cái gì đó là lạvề muon: không giống như các điện tử, nó phân rã thành các hạt khác và dường như tươngtác với các meson một cách bất thường. Trong thực tế, có thời kỳ người ta cho rằng muonlà một loại meson. Những khác biệt này kết thúc như là một dấu hiệu của một cái gì đó thúvị hơn: lực yếu.

Bài tập nhỏ 4: Hãy tự thuyết phục chính mình rằng những quy tắc Feynman của chúng tacho QED + μ không cho phép phân rã muon, tức là μ trở thành một thứ không-μ.

Muon được tạo ra trên bầu trời khi các tia vũ trụ chạm vào những nguyên tử của thượngtầng khí quyển. Những cơn mưa đổ xuống Trái đất và buộc chúng ta phải đặt thí nghiệmvật chất tối của chúng ta sâu dưới lòng đất để tránh 'tiếng ồn " của chúng. Tuy nhiên điềuthực sự gọn gàng, đó là một thực tế muon đã làm công việc của nó đối với bề mặt trái đất làmột kiểm tra thực nghiệm rất đáng phấn khích của thuyết tương đối. Chúng ta biết rằngmuon phân rã phần còn lại trong khoảng vài micro giây. Trong thời gian này, có vẻ nhưkhông có cách nào để chúng vượt qua những cây số (khoảng 4 km) giữa Trái đất và bầu khíquyển, ngay cả khi chúng đang đi với tốc độ của ánh sáng! (c=3x108m/s). Hiện tượnggiãn nở thời gian chính là những gì đang xảy ra!

5. Giới thiệu về tau

Tau đã được phát hiện trong một loạt các thí nghiệm từ năm 1974 đến năm 1977 bởi MartinLewis Perl với các đồng nghiệp của mình tại nhóm SLAC-LBL(Trích: M. L. Perl et al.; Abrams, G.; Boyarski, A.; Breidenbach, M.; Briggs, D.; Bulos,F.; Chinowsky, W.; Dakin, J. et al. (1975). "Evidence for Anomalous Lepton Production in e+e− Annihilation". Physical Review Letters 35 (22): 1489.Bibcode:1975PhRvL..35.1489P. doi:10.1103/PhysRevLett.35.1489).

Bai-3-QED-μ-gioi-thieu-ve-muon-6.jpg

Tau (τ), cũng được gọi là lepton tau, hạt tau hoặc tauon, là một hạt cơ bản tương tự nhưđiện tử (electron), với điện tích âm và một spin 1/2. Cùng với các electron, muon, và baneutrino, nó được xếp loại như một lepton. Giống như tất cả các hạt cơ bản, tau có mộtphản hạt đối điện tích tương ứng nhưng bằng nhau về khối lượng và spin, mà trong trườnghợp của tau là antitau (cũng được gọi là tau dương). Hạt Tau được biểu thị bằng τ- và antitau bởi \bar{τ}

Lepton tau có thời gian sống 2.9x10-13s và một khối lượng khoảng 1,777.8MeV/c2 (so với 105.7 MeV/c2 của muon và 0.511 MeV/c2 của electron). Vì tương tác củachúng rất giống như điện tử, tau có thể được coi như một phiên bản nặng hơn của electron.Do khối lượng lớn hơn e của chúng, các hạt tau không phát ra bức xạ hãm (bremsstrahlungradiation) nhiều như electron, chúng có khả năng thâm nhập cao, nhiều hơn so với các điệntử. Tuy nhiên, vì thời gian sống ngắn ngủi của mình, phạm vi của tau chủ yếu được tạo nêndo chiều dài phân rã của chúng, đó là quá nhỏ so với bức xạ hãm để có thể chú ý: Sứcthâm nhập của chúng chỉ xuất hiện ở năng lượng cực cao (trên năng lượng PEV)

Giống như trường hợp của các lepton tích điện khác, tau có một hạt tau neutrino liên hợp.Neutrino tau được biểu thị bằng ντ.

Bai-3-QED-μ-gioi-thieu-ve-muon-7.jpg

Tau là lepton duy nhất có thể phân rã thành các hadron - các lepton khác không có khốilượng cần thiết. Như các phương thức phân rã khác của tau, sự phân rã hadronic là thôngqua sự tương tác yếu.Vì số lepton tauonic được bảo toàn trong các phân rã yếu, nên một tau neutrino được tạo rakhi một tau phân rã thành một muon hoặc một electron.Tỷ lệ phân nhánh của các phân rã hoàn toàn lepton tau thông thường là:

17,82% cho phân rã thành một neutrino tau, electron và phản neutrino electron;

17,39% cho phân rã thành một neutrino tau, muon và phản neutrino muon.

Bài tập nhỏ 5: Mô hình Chuẩn thực ra còn có một người anh em họ của electron, tênlà tau (τ), dẫn đến ba lepton tích điện nếu tính tổng số. Hãy viết ra những quyluật Feynman cho lý thuyết QED + μ + τ, nghĩa là lý thuyết về các electron, muon, và Tautương tác thông qua các photon. Hãy chắc chắn rằng electron, muon, và số tau đều đượcbảo toàn. Vẽ sơ đồ để sản xuất tau trong một máy gia tốc electron-positron.

Bài tập nhỏ 6: Trên đây chúng ta cho rằng muon là đặc biệt bởi vì chúng chạm vào cácmáy dò như quả bóng bowling thông qua một loạt các quả bóng ping-pong. Tau thậm chícòn nặng hơn, nên chúng cũng sẽ chạm vào ngoại vi của máy dò?

Trả lời: Đây là một câu hỏi lừa. Chính xác mà nói thì Tau đủ năng lượng làm cho nó đếnvới ngoại vi của máy dò trong lý thuyết QED + μ + τ. Tuy nhiên, đây không phải là toàn bộcâu chuyện cho các electron, muon, và Tau (gọi chung là lepton) trong Mô hình Chuẩn.Giống như muon, Tau không ổn định và sẽ phân rã. Trong thực tế, chúng phân rã nhanhhơn nhiều so với muon bởi vì có khối lượng nặng hơn và có thể phân rã thành các hạt khác. Thường rất khó khăn để tái tạo Tau từ dữ liệu thu được.

Bây giờ chúng ta rất quen thuộc với việc cùng đưa ra nhiều bản sao của QED. Hiện tại, chỉcó ba bản sao chúng ta phải quan tâm QED, QED + μ, QED + μ + τ. Đó là một câu hỏimở chỉ ra lý do tại sao đây là trường hợp cần lưu ý. Sự tồn tại của ít nhất ba bản, tuy nhiên,hóa ra là quan trọng đối với sự mất cân bằng của vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Nộidung bài tiếp theo sẽ giới thiệu về lực yếu và những gì chúng ta có thể thực sự nhìn thấylàm được với các lepton.

Theo FLIP TANEDO | USLHC | USA

Tham khảo

1. http://www.quantumdiaries.org/2010/04/04/qed-C-introducing-the-muon/

2. http://www.symmetrymagazine.org/contest/why-particle-physics-matters

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Tau_(particle)

Bản quyền

Trần Hồng Cơ

Tham khảo - Trích lược.

Ngày 18/08/2013.

Cc-by-nc-nd.png

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States License.

Mục lục

  1. Bài 1. Sơ đồ Feynman
  2. Bài 2. Nhiều sơ đồ Feynman hơn nữa
  3. Bài 3. QED + μ giới thiệu về muon
  4. Bài 4. Boson Z và sự cộng hưởng
  5. Bài 5. Các chàng ngự lâm Neutrinos
  6. Bài 6. Tí hon boson W - làm rối tung mọi thứ
  7. Bài 7. Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị
  8. Bài 8. Thế giới của keo
  9. Bài 9. QCD và sự giam hãm
  10. Bài 10. Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn

Liên kết đến đây

Xem thêm liên kết đến trang này.