Nhật ký lượng tử - cuộc thám hiểm thế giới vật lý hạt/Bài 5. Các chàng ngự lâm Neutrinos

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

Bây giờ đến lúc chúng ta sẽ tăng thêm một liều hạt nữa cho tất cả mọi người nhé! Trong các phiên bản trước (Bài 1, Bài 2, Bài 3, Bài 4), chúng ta đã bắt đầu bằng một lý thuyết cơ bản (QED, electron và photon) và sau đó là thêm vào muon, Taus, và boson Z. Bây giờ chúng ta lại sẽ thêm vào một tập hợp các hạt mà gần đây đã có một số thông tin khá quan trọng, đó là những người lính mới neutrino.

1. Người lính mới: neutrinos

Dưới đây là mô tả thú vị về một electron-neutrino theo The Particle Zoo:

Bai-5-Cac-chang-ngu-lam-Neutrinos-1.jpg

Thực tế có ba loại neutrino: mỗi loại đi cặp với các hạt tựa-điện tử. Vì vậy, ngoài các electron -neutrino, chúng ta cũng có các muon- neutrino và tau- neutrino. Như tên gọi của chúng, neutrino là trung hòa và không có điện tích. Hơn nữa, chúng rất nhẹ.

Để ý rằng neutrino không mang bất kỳ điện tích nào, nghĩa là chúng không đánh cặp với photon, nói cách khác không có quy tắc Feynman cho neutrino tương tác với photon. Cho đến nay các hạt duy nhất chúng ta đã gặp mà tương tác với các neutrino là boson Z, với các quy tắc Feynman sau đây:

Bai-5-Cac-chang-ngu-lam-Neutrinos-2.png
Bai-5-Cac-chang-ngu-lam-Neutrinos-3.png

Bài tập 1: Hãy khảo sát lý thuyết chỉ gồm neutrino và các boson Z để chúng ta có được các quy tắc Feynman như trên. Kiểm tra xem điều này có giống như ba phiên bản QED (một lý thuyết về electron và photon) trước đây hay không.

Câu hỏi 1: Lý thuyết chỉ gồm neutrino và boson Z khác với "ba phiên bản của QED" như thế nào?

Trả lời 1: Không giống như photon, boson Z có khối lượng! Điều này có nghĩa là các boson Z không tạo ra một lực tương tác xa như điện từ. Chúng ta sẽ thảo luận về điều này ngay khi nói về boson W và giải thích rằng W và Z cùng nhau trung hòa cái gọi là "lực hạt nhân yếu."

Bài tập 2: Vẽ biểu đồ Feynman cho một electron và positron tự hủy thành một neutrino và phản -neutrino. Các trạng thái cuối cùng có thể là gì? (ví dụ như bạn có thể có một muon neutrino và anti- muon neutrino hay không? Bạn có thể có một neutrino -electron và một anti tau-neutrino?). Biết rằng neutrino không tương tác điện và boson Z tương tác rất yếu, những gì bạn nghĩ về điều này sẽ như thế nào trong thiết bị dò hạt? (Xem xét ý nghĩa của cụm từ "năng lượng biến mất.")

2. Điều này bắt đầu có vẻ rất nhàm chán!

Nếu bạn đang bắt đầu cảm thấy buồn chán vì chúng ta vẫn tiếp tục viết ra cùng một lý thuyết tựa như QED, thì bạn hãy cố gắng duy trì điều này nhé. Đến nay dù đã giới thiệu tất cả các cầu thủ cơ bản tham gia trò chơi bóng đá lượng tử, nhưng chúng ta đã không nói với họ làm thế nào để tương tác với nhau theo những cách thú vị: Đừng lo! Chúng ta sẽ nhận được điều này trong bài tiếp theo về boson W.

Nào hãy tóm tắt lại một cách nhàm chán, những điều chúng ta đã thu được:

  • Chúng ta bắt đầu câu chuyện với một lý thuyết về electron và photon được gọi là QED.
  • Sau đó "tăng gấp đôi" lý thuyết bằng cách thêm vào muon, đó là những điện tử nặng kết cặp theo cùng một cách với các photon.
  • Rồi chúng ta lại "tăng gấp ba lần" lý thuyết bằng cách thêm các hạt Tau, hạt này vẫn chưa phải một phiên bản nặng của các electron.
  • Tiếp theo chúng ta lại thêm một hạt lực mới, boson Z. Đây chính là phiên bản nặng của các photon (với sức tương tác yếu hơn), nhưng mặt khác quy tắc Feynman của chúng ta một lần nữa có vẻ như tăng gấp đôi trong các quy định trong các bước trước đó. (Đến đây chúng ta có 6 " phiên bản " của QED).
  • Chúng ta vừa mới thêm vào ba neutrino nữa, là những hạt chỉ tương tác với boson Z theo cách giống như QED. Như thế giờ đây chúng ta đã có 9 "bản sao" của QED rồi đó các bạn.

Xin hứa với các bạn điều này sẽ sớm nhận được rất nhiều sự thú vị hơn. Đầu tiên, có một câu hỏi ngắn để chắc chắn rằng bạn thực sự chú ý đến những vấn đề đang bàn luận:

Câu hỏi 2: Bạn có thể vẽ một sơ đồ trong đó một electron phân rã thành một số bất kỳ các neutrino không? Tại sao không?

3. Một số tính chất của neutrino

Chúng ta hoàn toàn không có những câu chuyện đầy đủ của các neutrino, nhưng đây là một cái nhìn thoáng qua về những gì sắp xảy ra:

Những người quen thuộc với hóa học biết rằng neutrino được tạo ra trong quá trình phân rã beta.

Có một neutrino cho mỗi hạt tựa như điện tử. Đây không phải là sự trùng hợp ngẫu nhiên. Một trong những khám phá thực nghiệm vĩ đại trong 15 năm qua là neutrino có khối lượng [ rất nhỏ ]. Nó chỉ ra rằng điều này có liên quan đến một tính chất đáng chú ý: neutrino thay đổi tính đồng nhất! Một electron -neutrino theo cách tự nhiên có thể biến thành một muon hay tau -neutrino. Đáng chú ý hơn nữa là điều này lại có liên kết rất sâu sắc với sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất. Đây cũng là một sự việc gì đó khiến chúng ta sẽ có nhiều điều hơn để nói về nó.

Vì neutrino rất nhẹ nên chúng đóng vai trò rất quan trọng trong vũ trụ sơ khai. Khi vũ trụ nguội dần từ vụ nổ Big Bang, các hạt nặng có thể không còn được sản xuất bởi năng lượng nhiệt môi trường xung quanh. Điều này trái lại, chỉ có neutrino và photon lan truyền xung quanh để tái phân phối năng lượng. Điều này hóa ra chính là để đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành của các thiên hà từ sự thăng giáng lượng tử.

Neutrino và photon lan truyền sau Big Bang

4. Những lưu ý về lịch sử neutrino

Vì lợi ích của việc có được các mô hình điện yếu của lepton, chúng ta sẽ không công bằng nếu không nói gì với lịch sử phong phú và hấp dẫn của vật lí neutrino. Dưới đây là một vài điểm nổi bật đã được phát hiện về neutrino rất thú vị.

  • Các thiết bị siêu dò Super Kamiokande ở Nhật Bản ban đầu được xây dựng để tìm kiếm tín hiệu của sự phân rã proton được dự đoán trong nhiều mô hình của lý thuyết thống nhất lớn. Những tín hiệu phân rã proton đã không bao giờ được tìm thấy (và hiện vẫn đang được tìm kiếm), nhưng vào năm 1998 Super-K thực hiện một quan sát đột phá về dao động neutrino.
  • Dao động neutrino đã giải quyết được bài toán neutrino mặt trời.
  • Gần đây, vào tháng 5 - 2010 http://operaweb.lngs.infn.it/IMG/pdf/OPERA_press_release_May_2010_english-5.pdf các thí nghiệm OPERA] ở phòng thí nghiệm Gran Sasso (Ý) đã tìm thấy thêm bằng chứng về dao động neutrino bằng cách quan sát trực tiếp một tau-neutrino đến từ một chùm neutrino-muon đã di chuyển 730 km từ CERN.
Hình ảnh dựng lại bằng máy tính về các sự kiện thích ứng phát hiện hạt tau trong thí nghiệm OPERA. Các dấu vết màu xanh nhạt là một trong những khả năng được gây ra do sự phân rã của một tau-lepton sản sinh bởi một tau-neutrino.

Một trong những nhà lý thuyết vĩ đại của những năm 1900, Wolfgang Pauli, đã mặc nhiên công nhận sự tồn tại của một hạt trung tính nhẹ để giải thích hành vi vi phạm rõ ràng tính bảo toàn năng lượng đến từ sự phân rã hạt nhân. Ông gọi hạt đề xuất này là một "neutron", nhưng cũng lưu ý rằng sẽ vô cùng khó khăn để phát hiện nó trực tiếp. Sau đó Chadwick phát hiện ra các neutron (là cái chúng ta gọi là neutron) nhưng nó quá nặng để có thể là hạt "neutron" theo nghĩa Pauli, vì thế E. Fermi sau này đổi tên là neutrino (" một hạt ít trung lập"). Đây là một bài viết dạng Nhật ký đăng trong Tạp chí đối xứng về những mặc định ban đầu của Pauli khi đưa ra ý tưởng về sự tồn tại một hạt như vậy.

Vật lý neutrino đã trở thành một trong những điểm trọng tâm của chương trình nghiên cứu Fermilab về "cường độ biên." Ý tưởng tổng quát là tạo ra một chùm neutrino năng lượng cao (sử dụng chùm tia proton của Tevatron) và bắn nó hướng tới mục tiêu ở khoảng cách khác nhau (lên đến 450 dặm ở Minnesota). Vì neutrino là tương tác rất yếu, chúng sẽ vượt qua ở một góc rơi nhẹ cho đến khi một số ít hạt trong đó tương tác với máy dò ngầm lớn đặt ở mục tiêu.

Có rất nhiều đề xuất gọn ghẽ về những điều thú vị mà chúng ta có thể thực hiện với neutrino. Hầu hết các điều này vẫn đang trong giai đoạn các "ý tưởng thú vị", nhưng đó là một ví dụ tốt đẹp về công nghệ thế spin-off (tắt spin) xuất phát từ những nghiên cứu cơ bản. Một số ví dụ như:

  • Thăm dò hoạt động địa chất sâu dưới lòng đất, hoặc thậm chí dự báo động đất.
  • Truyền thông một chiều với các tàu ngầm sâu dưới đại dương.
  • Thanh tra lò phản ứng hạt nhân mà không cần xâm nhập để kiểm tra xem lò phản ứng hạt nhân có được sử dụng để sản xuất plutonium ở cấp độ vũ khí hay không.
  • Thậm chí mạnh hơn, là trung hòa các vũ khí hạt nhân.

5. Vài thông tin thú vị về neutrino

Các bạn thân mến! Neutrino là một trong số những hạt phong phú nhất trong vũ trụ, người ta ước tính cứ mỗi proton thì có khoảng 700 tỉ neutrino. Mỗi khi các hạt nhân nguyên tử kết hợp lại với nhau (nhiệt hạch) hoặc bị vỡ ra từng phần (phân hạch) chúng đều tạo ra neutrino. Thậm chí một quả chuối cũng phát ra neutrino, và chúng đến từ nguồn phóng xạ tự nhiên của potassium (kali) trong trái cây. Bạn hãy thử tưởng tượng xem nếu không có neutrino, mặt trời hẳn sẽ không thể có ánh sáng rực rỡ như vậy, và trong thế giới hóa lý chúng ta sẽ không có bất kỳ nguyên tố nào nặng hơn hydrogen.

Bai-5-Cac-chang-ngu-lam-Neutrinos-6.png

Một khi được tạo ra, các hạt neutrino gần như (hoặc) không tương tác với vật chất khác. Hàng chục tỉ hạt neutrino bức xạ từ mặt trời đang tràn ngập trái đất chúng ta ngày và đêm, mà chúng ta không thể cảm nhận được điều đó.

Vế mặt lý thuyết các dự đoán về sự tồn tại của neutrino đã có từ năm 1930, và đến 1956 thực nghiệm mới phát hiện ra nó.

Ngày nay, từ các lý thuyết về bản chất của neutrino và thực nghiệm các nhà khoa học đang cố gắng xác định khối lượng cũng như cách thức chúng tương tác với vật chất, và thuộc tính neutrino có là phản hạt của chính nó hay không. Một số nhà vật lý cho rằng neutrino có thể là lý do khiến tất cả các phản vật chất biến mất sau vụ Big Bang, để lại chúng ta trong một vũ trụ của thuần vật chất.

Vì vậy, khoa học vũ trụ càng gắn kết hơn với vật lý neutrino.

[ Debbie Harris, Fermilab (Symmetry Magazine) theo: http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/nguyen-tu-hat-nhan/3038-neutrino ]

6. Lý lịch khoa học của Neutrino

Neutrino là hạt sơ cấp thuộc nhóm các hạt lepton, bền, không mang điện tích, khối lượng nghỉ bằng không hay rất nhỏ (các thí nghiệm mới đang chứng tỏ neutrino có khối lượng), với moment từ bằng không. Giống như những hạt lepton khác, neutrino có spin bán nguyên (cụ thể bằng ½) nên thuộc vào nhóm fermion. Do có khối lượng nghỉ rất gần với không, neutrino luôn chuyển động với tốc độ rất gần với tốc độ ánh sáng.

Phân loại

Có ba loại neutrino sau:

  • Neutrino -electron νe, xuất hiện cùng lúc với positron trong phân rã beta β dương tính của neutron.
  • Neutrino -muon νμ, xuất hiện trong phân rã pi π của hạt meson.
  • Neutrino -tau ντ
Bai-5-Cac-chang-ngu-lam-Neutrinos-7.jpg

Neutrino đối với thiên văn học

Trong các loại neutrino, chỉ có neutrino điện tử mang giá trị thực tiễn trong thiên văn học do khả năng tương tác rất nhỏ của chúng, nói khác đi là nhờ khả năng xuyên thấu rất lớn của nó. Ví dụ: chiều dài quĩ đạo chuyển động tự do của một hạt neutrino, mang năng lượng 1 MeV, trong kim loại chì là 1018m, ứng với 100 năm ánh sáng. Với khả năng này, neutrino trong vũ trụ dễ dàng xuyên qua các phản ứng hạch nhân trong các sao và mang đi một phần năng lượng đáng kể của sao (thiên văn học neutrino).

Do tính tương tác yếu nên các neutrino rất khó nắm bắt được, và chúng được giả định là một thành phần của vật chất tối trong vũ trụ.

Bai-5-Cac-chang-ngu-lam-Neutrinos-8.jpg

7. Kết luận và Gợi mở

  • Năm 1930 Wolfgang Pauli, một thiên tài dự đoán trong lĩnh vực vật lý hiện đại đã dự báo sự tồn tại của các chàng ngự lâm pháo thủ neutrino, và chính điều này dẫn đến cho ông giải thưởng Nobel năm 1945. Lúc ấy chúng ta còn biết về neutrino rất mơ hồ, các tính chất của chúng dường như khó nhận thấy vì rất ít tương tác với các vật chất khác.
  • Ngày nay ứng dụng của vật lý neutrino xuất hiện trong các phản ứng nhiệt hạch để cung cấp năng lượng, chế tạo các lò phản ứng hạt nhân, dùng máy dò hạt dưới nước như một kính thiên văn tìm kiếm sự sống đại dương vì nó có thể phát hiện ra ánh sáng phát ra từ những sinh vật và vi khuẩn phát quang.Chúng ta cũng nhận biết neutrino trong sự phân rã phóng xạ trong tự nhiên.
  • Khi các anh lính neutrino này đụng độ với nguyên tử sẽ có những tín hiệu được nhận biết bằng các bộ phận cảm biến cực nhạy. Một thí nghiệm khá phổ thông là thu thập các tín hiệu tương tác giữa neutrino và electron của phân tử nước qua máy đo khi chúng phát sáng. Công trình này do Fredrick Reines phát hiện vào năm 1956 và đoạt giải Nobel 1995.
  • Một điều rất thú vị nữa về neutrino là chúng có ít nhất ba “hương” (flavour) – tau, electron và muon – và chúng rất nhạy cảm trong việc biến đổi qua lại từ các hương này -. Một số thí nghiệm hiện nay cho thấy những khác biệt ở cách thức các phản neutrino và neutrino biến hình, nhờ đó có thể giải thích sự phát sinh tính mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ sơ khai.

Đến đây hãy chắc chắn rằng bạn hoàn toàn quen thuộc với các hạt khác nhau, đã được giới thiệu cho đến nay và cách thức chúng ta đã cho phép chúng tương tác. Lần tiếp theo chúng ta sẽ tăng thêm gia vị lên rất nhiều bằng cách giới thiệu các boson W và một số trong những điều đáng chú ý mà W đã làm cho chúng ta. Nhân dịp đó, chúng ta sẽ có được gần như tất cả các thành phần cần thiết để mô tả các lý thuyết điện yếu của lepton và có thể thảo luận về dao động của neutrino, sự vi phạm CP, và boson Higgs.

Sau này, chúng ta sẽ chuyển sang lĩnh vực hạt quark, cái mà chúng ta sẽ thấy một phần là "bản sao" của tất cả mọi thứ chúng ta sẽ phải thực hiện với các lepton.

Cám ơn các bạn đã theo dõi. Xin chào, hẹn gặp lại.

Theo FLIP TANEDO | USLHC | USA

Tham khảo

1. http://www.quantumdiaries.org/2010/06/06/neutrinos/

2. http://vi.wikipedia.org/wiki/Neutrino

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_neutrino_problem

4. http://operaweb.lngs.infn.it/IMG/pdf/OPERA_press_release_May_2010_english-5.pdf

5. http://www.ps.uci.edu/~superk/neutrino.html 6. http://bachkhoatoanthu.vass.gov.vn/noidung/tudien/Lists/GiaiNghia/View_Detail.aspx?ItemID=25023

7. http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/nguyen-tu-hat-nhan/1830-neutrino-la-gi-tu-a-den-z

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.