Nhật ký lượng tử - cuộc thám hiểm thế giới vật lý hạt/Bài 6. Tí hon boson W - làm rối tung mọi thứ

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm
Chia sẻ lên facebook Chia sẻ lên twitter Chia sẻ lên google-plus In trang này

Chào các bạn! Đối với những độc giả đã từng theo những bước đột phá của chúng ta vào nội dung hạt của Mô hình Chuẩn, đây là nơi mà mọi thứ sẽ bắt đầu trở nên thú vị. Bây giờ chúng ta giới thiệu các boson W và trình bày một hình ảnh gần như hoàn chỉnh những gì chúng ta biết về lepton.

1. Anh chàng tí hon: boson W

Chúng ta đang chọn hướng tiến lên phía trước, vì vậy nếu bạn cần biết, xin vui lòng tham khảo những phiên bản trước mà chúng ta đã trình bày về quy tắc Feynman và một số hạt cơ bản: Bài 1, Bài 2, Bài 3, Bài 4, Bài 5 theo những đường dẫn thông tin phía trên bài viết này.

Anh chàng tí hon W thực ra là hai hạt: một với điện tích dương và một với điện tích âm. Điều này cũng tương tự như mọi điện tử có phản hạt là positron. Dưới đây là mô tả rất sinh động về boson W theo The Particle Zoo:

Bai-6-Ti-hon-boson-W-lam-roi-tung-moi-thu-1.png

Cùng với boson Z, các boson W trung hòa các lực [hạt nhân] yếu. Bạn có thể nhớ đến lực này trong hóa học: nó chịu trách nhiệm về sự phân rã phóng xạ của hạt nhân nặng thành hạt nhân nhẹ. Chúng ta sẽ vẽ sơ đồ Feynman cho phân rã-β như bên dưới đây. Đầu tiên chúng ta cần đến các quy tắc Feynman.

2. Các quy tắc Feynman cho W: Tương tác với các lepton

Đây là các quy tắc Feynman chỉ ra cách W tương tác như thế nào với các lepton. Nhớ lại rằng có ba lepton tích điện (đó là electron, muon, tau) và ba neutrino (một cho mỗi lepton tích điện).

Bai-6-Ti-hon-boson-W-lam-roi-tung-moi-thu-2.jpg

Ngoài ra, cũng có những quy tắc tương tự với các mũi tên chỉ theo các hướng ngược lại, với tổng số 18 đỉnh. Lưu ý rằng chúng ta đã viết dấu (+) hoặc (-) cho W, nhưng vẫn luôn luôn dùng W với điện tích chính xác để đáp ứng luật bảo toàn điện tích.

Bài tập 1: Hãy tự nhắc nhở mình lý do tại sao các quy tắc trên là khác với các quy tắc có mũi tên chỉ theo hướng ngược lại. Gợi ý: nghĩ về điều này như những biểu đồ Feynman đơn giản mà chúng ta đọc từ trái sang phải. Hãy liên tưởng về hạt và phản hạt.

Có thể nói: W kết nối bất kỳ lepton tích điện nào vào với bất kỳ neutrino nào. Chúng ta có thể viết tắt các quy tắc như sau:

Bai-6-Ti-hon-boson-W-lam-roi-tung-moi-thu-3.jpg

Ở đây chúng ta đã dùng chữ l đại diện cho "lepton [ tích điện ]" và \upsilon _{i} có nghĩa là một neutrino loại i, chỉ số i có thể hiểu là electron / muon / tau.

Câu hỏi 1: Tính đối xứng của lý thuyết này là gì? Nói cách khác, số lượng được bảo toàn là gì? So sánh với lý thuyết trước đây về các lepton mà không có boson W.

Trả lời 1: Điện tích vẫn được bảo toàn, như chúng ta từng mong đợi. Tuy nhiên, chúng ta không còn bảo toàn được -một cách cá nhân- số lượng của các electron. Tương tự như vậy, chúng ta cũng không bảo toàn được số lượng các hạt muon, Tau, electron-neutrino, v.v..

Tuy nhiên, tổng số lepton vẫn được bảo toàn nghĩa là: số lượng các lepton (electron, muon, neutrino, v.v..) trừ đi số lượng anti-lepton vẫn giữ nguyên trước và sau mọi tương tác bất kỳ.

Thực nghiệm # 1: W có thể kết hợp những hạt tựa -điện tử (electron và electron -neutrino) với những hạt không tựa -điện tử (ví dụ như muon, tau -neutrino). Anh chàng tí hon boson W thật là đặc biệt trong mô hình chuẩn bởi vì nó có thể kết hợp các loại hạt khác nhau. Các "electron-ness" hoặc "muon neutrino-ness" (v.v...) của một hạt thường được gọi là hương (flavor) của nó. Chúng ta nói rằng boson W trung hòa các quy trình thay đổi hương. Hiện nay ngành vật lý hương (của các quark) là trọng tâm của các thí nghiệm LHCb tại CERN.

Nguồn: Thiết diện máy LHCb. http://en.wikipedia.org/wiki/LHCb

Câu hỏi 2: Vẽ một vài sơ đồ vi phạm số lượng các electron. [Nếu nó không rõ ràng, hãy tự thuyết phục bản thân rằng bạn không thể có được tương tác như vậy mà không có boson W tồn tại trong lý thuyết của bạn.]

Trả lời 2: Sau đây là một ví dụ về sư vi phạm số lượng các electron: một muon phân rã thành một electron và một đôi neutrino - anti neutrino. (Câu hỏi bổ sung: điện tích của W ở đây là gì?)

Bai-6-Ti-hon-boson-W-lam-roi-tung-moi-thu-6.jpg

3. Quy tắc Feynman cho boson W: Tương tác với các hạt lực khác

Bạn thân mến, vì sự linh hoạt của W, rõ ràng là cần phải có những quy tắc Feynman bổ sung cho trò chơi mới này. Trong thực tế, chắc bạn cũng có thể dự đoán một điều: vì W được tích điện, nó sẽ tương tác với các photon! Do đó chúng ta cần có các quy tắc Feynman bổ sung như sau:

Bai-6-Ti-hon-boson-W-lam-roi-tung-moi-thu-7.jpg

[Cập nhật, 09 tháng 8/2010: lưu ý rằng đối với các đỉnh chúng ta đã sử dụng quy ước rằng tất cả các boson là đi tới. Do đó đây không phải là sơ đồ Feynman biểu diễn cho quá trình vật lý, chúng chỉ là những đỉnh mà chúng ta có thể chuyển đổi các sơ đồ, các mẩu hoặc thành các sơ đồ khác. Ví dụ, đỉnh trên đây có một photon đến, boson đến W +, và một boson đến W-. Nếu chúng ta muốn có sơ đồ cho một W + phát ra một photon (W + → W + photon)., thì chúng ta sẽ phải trao đổi boson đến W- cho một boson đi W+ (đây là thứ tự của các phản hạt)]

Thật thú vị khi điều này hóa ra chỉ là đỉnh của tảng băng trôi! Chúng ta có thể thay thế các photon bằng boson Z (như đã từng mong đợi vì thực ra Z là anh em (nặng) của photon cơ mà!) để có được một đỉnh ba-hạt -lực khác như sau

Bai-6-Ti-hon-boson-W-lam-roi-tung-moi-thu-8.jpg

Cuối cùng, chúng ta thậm chí có thể xây dựng đỉnh 4-hạt -lực. Lưu ý rằng mỗi loại đỉnh đều này thỏa mãn tính bảo toàn điện tích! Các đỉnh 4-hạt-lực thường nhỏ hơn so với các đỉnh bất kỳ trước đó, vì vậy chúng ta sẽ không dành quá nhiều thời gian suy nghĩ về chúng.

Bai-6-Ti-hon-boson-W-lam-roi-tung-moi-thu-9.jpg

Thực nghiệm # 2: Chúng ta thấy rằng W đã giới thiệu một loại quy tắc Feynman hoàn toàn mới: các hạt lực tương tác với các hạt lực khác mà không có bất kỳ các hạt vật chất nào! (Nói theo cách vật lý ưa thích:. Boson gauge (chuẩn) tương tác với các boson gauge khác mà không có bất kỳ fermion nào)

4. Bình luận ngắn

1. Các tính năng thú vị nhất của W là nó có thể thay đổi hương fermion, tức là nó có thể không chỉ kết nối một lepton và một neutrino, mà còn có thể kết nối một lepton của một loại này với một neutrino của một loại khác. Một ràng buộc thực nghiệm rất mạnh về hương vị vật lý đến từ sự phân rã \mu \to e\gamma (muon phân hủy thành electron và photon).

Bài tập 2: Hãy vẽ một sơ đồ Feynman góp phần vào quá trình \mu \to e\gamma này. (Gợi ý: bạn sẽ cần phải có một boson W và bạn sẽ kết thúc với một vòng khép kín.)

2. Tuy nhiên cần lưu ý, những hiệu quả thay đổi hương có xu hướng nhỏ hơn so với hiệu quả bảo toàn hương. Nói cách khác, một W có nhiều khả năng phân hủy thành một electron và một electron -neutrino chứ không phải là một electron và tau -neutrino. Sau này chúng ta sẽ thảo luận về độ nhỏ hơn của những hiệu ứng này là bao nhiêu.

3. W boson là khá nặng khoảng 80 GeV, hơi nhẹ hơn so với Z nhưng vẫn còn nặng hơn nhiều so với bất kỳ loại nào của họ lepton. Do đó, như chúng ta đã học từ Z, boson W phân rã trước khi nó có thể được quan sát trực tiếp trong một máy dò.

4. W được phát hiện từ thí nghiệm UA1 và UA2 tại CERN trong những năm 1980. Khám phá của các nhà vật lý là một thắng lợi về mặt thực nghiệm: như bây giờ bạn đã biết từ các quy tắc Feynman nêu trên, W phân rã thành một lepton và một neutrino còn về sau đó không thể được phát hiện trực tiếp được nữa! Điều này ngăn cản các nhà thực nghiệm việc quan sát sự cộng hưởng rất tốt như họ đã làm đối với các boson Z một vài tháng sau đó.

Bên trong mặt cắt trung tâm của hệ thống thực nghiệm UA1 tại viện bảo tàng Microcosm, CERN
Thiết bị dò UA2 được trung bày ở vị trí mở trong hệ thống va chạm SPS tại CERN, 1982

Các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật biến đổi một chút dựa trên một đại lượng gọi là "khối lượng ngang" (tranverse mass) để tìm kiếm một sự cộng hưởng được quét ra bằng cách chỉ sử dụng các thông tin về các lepton được quan sát. Khái quát về kỹ thuật này vẫn đang được phát triển ngày hôm nay để tìm kiếm tính chất siêu đối xứng! (Đối với các chuyên gia: xem bài viết đánh giá gần đây về động học LHC)

Ảnh: Phổ cộng hưởng của boson W - bằng Tranverse Mass nguồn http://www.pa.msu.edu/~marti347/project6/index.html

5. Chúng ta sẽ thấy là anh chàng tí hon boson W chỉ nói chuyện với các hạt thuận bên trái. Đây là một thực tế đáng chú ý, liên quan đến sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất.

Bài tập 3: Đến đây chúng ta đã phát triển khá nhiều hình thức với các quy tắc Feynman, bạn thử vẽ sơ đồ tương ứng với sự sinh ra boson W trong một máy va chạm lepton. Giả sử các hạt ban đầu là một electron và positron. Hãy rút ra một vài sơ đồ sinh ra hạt boson W. Hãy "kết thúc" mỗi sơ đồ bằng cách cho phép boson bất kỳ nặng nào (là Z hoặc W) phân rã thành các lepton.

Sơ đồ đơn giản nhất bao gồm một boson W là gì? Có phải trạng thái cuối cùng là có thể quan sát được trong máy dò? (Hãy nhớ rằng: neutrino không thể quan sát trực tiếp được). Những thuộc tính chung nào bạn chú ý đến trong sơ đồ gồm cả hai điều

(1) bao gồm một boson W và

(2) có một trạng thái cuối cùng có thể phát hiện được (với ít nhất một lepton tích điện)?

Bạn có thể vẽ các sơ đồ trong đó boson W được sinh ra theo những cặp hay không? Bạn có thể vẽ sơ đồ trong đó W được sinh ra bởi chính nó không?

Gợi ý: Bạn nên có ít nhất một sơ đồ mà W là hạt chỉ trung gian. Bạn cũng nên thực hiện các sơ đồ với cả hai gồm các đỉnh fermion-fermion-boson và đỉnh 3-boson. Bạn cũng có thể sử dụng các đỉnh 4- boson, nhưng lưu ý rằng đây là những hiệu ứng nhỏ hơn.

Ghi chú: Hãy thử làm bài tập này, bạn sẽ thực sự bắt đầu nắm được cách xử lý bằng cách vẽ sơ đồ cho các quá trình phức tạp hơn. Thêm vào đó, đây cũng chính là quá trình tư duy khi các nhà vật lý suy nghĩ về làm thế nào để phát hiện các hạt mới. Như một nhận xét bổ sung, điều này không hẳn hoàn toàn W được phát hiện như thế nào, CERN đã sử dụng sự va chạm proton-phản proton, là điều chúng ta sẽ nhận được khi thảo luận về sắc động học lượng tử.

5. Liên quan điều này với hóa học

Trước khi kết thúc phần giới thiệu về boson W, chúng ta hãy cùng nhận xét về vai trò của nó trong hóa học và đồng thời cung cấp một bản phác họa về những tương tác yếu của các quark. Bạn sẽ nhớ lại rằng trong hóa học người ta có thể phân rã β như sau đây:

neutron → proton + electron + anti neutrino

Điều này chuyển đổi một nguyên tử thành một đồng vị của một nguyên tử khác. Chúng ta hãy xem cách điều này thực hiện ở cấp độ của các hạt hạ nguyên tử.

Proton và neutron được tạo từ các up-quark (lên) và down-quark (xuống). Up-quark (u) có điện tích 2/3 và down-quark (d) có điện tích – 1/3. Như sẽ thấy khi chúng ta giới thiệu đúng cách các quark, up-quark và down-quark cũng có mối quan hệ tương tự như các electron- neutrino và các điện tử. Như vậy chúng ta có thể mong đợi một sự kết hợp giữa up-quark, down-quark, và W boson.

Một neutron gồm có hai down-quark và một up-quark (ddu) trong khi một proton bao gồm hai up-quark và một down-quark (uud). [ Hãy kiểm tra điện tích về những gì bạn đang mong đợi nhé!].

Sơ đồ có thể chuyển đổi một neutron thành proton là như sau

Bai-6-Ti-hon-boson-W-lam-roi-tung-moi-thu-13.jpg

Cập nhật: Một bạn đọc tên Cris chỉ ra cho tôi trong một e-mail rằng, boson W phải có điện tích âm và phân rã thành một electron và anti neutrino!

Vì boson W là nặng hơn nhiều so với up-quark và down-quark -trên thực tế, nó nặng hơn nhiều so với toàn bộ proton (gấp khoảng 80 lần) - do đó nó nhất thiết phải là một hạt ảo và chỉ có thể tồn tại trong một thời gian ngắn. Ta có thể tưởng tượng rằng hệ thống đã 'mượn' năng lượng để tạo ra các boson W để các nguyên lý bất định Heisenberg chỉ cho chúng ta biết nó sẽ phải trả lại năng lượng rất nhanh chóng. Do đó, W không có thể đi rất xa trước khi phân hủy và chúng ta nói rằng đó là một "lực tầm ngắn." Vì vậy, đôi khi lực yếu được gọi là lực hạt nhân yếu. Hãy so sánh điều này với các photon, không có khối lượng và do đó là một "lực tầm xa."

[Tuy nhiên chúng ta biết, về bản chất nó không phải là một lực hạt nhân (trong lý thuyết của chúng ta trên đây, chúng ta chưa bao giờ đề cập đến các quark hay hạt nhân), và tiếp tục "sự yếu" của nó có liên quan đến khối lượng của W làm cho nó thành một lực tầm ngắn. ]

Chúc mừng bạn Cris!

6. Tiểu sử chàng tí hon boson W

Boson W hay hạt W, là một hạt cơ bản có khối lượng bằng 160.000 lần khối lượng của electron, hay khoảng 80 lần khối lượng của proton hay neutron, tương đương với khối lượng của nguyên tử Brôm.Boson W là hạt mang điện tích, hoặc –1 hoặc +1. Chúng là phản hạt của nhau, nhưng cả hai đều không là hạt vật chất. Boson W là hạt truyền tương tác trong tương tác yếu, và tồn tại ở một thời gian cực ngắn, chỉ khoảng 3x10^{{-25}} giây sau đó phân rã sang các dạng khác.

Boson W phân rã tạo thành hoặc là 1 quark, hoặc là một phản quark có điện tích khác hoặc là một lepton điện tích hay phản neutrino.

Theo FLIP TANEDO | USLHC | USA

Tham khảo

1. http://www.quantumdiaries.org/2010/07/02/the-w-boson-mixing-things-up/

2. http://en.wikipedia.org/wiki/W_and_Z_bosons#Discovery

3. http://arxiv.org/abs/hep-ex/9712029

4. http://www.pa.msu.edu/~marti347/project6/index.html

5. http://arxiv.org/abs/1004.2732

6. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/expar.html

7. http://vi.wikipedia.org/wiki/Boson_W

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.
Chia sẻ lên facebook Chia sẻ lên twitter Chia sẻ lên google-plus In trang này