Nhật ký lượng tử - cuộc thám hiểm thế giới vật lý hạt/Bài 7. Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị

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

1. Quarks là ai vậy?

Một trong những thí nghiệm quan trọng nhất trong lịch sử vật lý là thí nghiệm Rutherford, trong đó " hạt alpha " được bắn vào một lá vàng mỏng. Cách mà các hạt phân tán ra khỏi lá là dấu hiệu nhận biết rằng các nguyên tử có một hạt nhân dày đặc chứa các điện tích dương. Đây là một trong những nguyên tắc hướng dẫn cho các thí nghiệm năng lượng cao:

Nếu bạn đập vỡ mọi thứ lại với nhau ở mức năng lượng đủ cao, bạn sẽ thăm dò được những cấu trúc hạ tầng của các hạt.

Khi người ta nói rằng LHC là một máy va chạm proton ở mức 14 TeV, thực ra đó chính là một máy gia tốc hạt quark / gluon vì đó là những siêu hạt tạo nên proton. Trong bài này chúng ta sẽ bắt đầu một cuộc thảo luận xem các hạt hạ nguyên tử là gì và tại sao chúng rất khác với bất kỳ các hạt mà chúng ta đã gặp trước kia.

2. Bảng tuần hoàn của QCD (một phần)

Lý thuyết mô tả quark và gluon được gọi là sắc động lực học lượng tử, viết tắt QCD. QCD là một phần của mô hình chuẩn, nhưng trong bài viết này, chúng ta sẽ chỉ tập trung vào chính QCD mà thôi. Quark là các fermion - hạt vật chất -. Có sáu quark, là những chú lính đến từ ba "gia đình" (ud, cs, tb là các cột trong bảng dưới đây):

Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-1.jpg

Các chú lính quark có tên khá dễ thương: leo lên (up), trèo xuống (down), duyên dáng (charm), kỳ lạ (strange), trên đỉnh (top), và dưới đáy (bottom). Trong lịch sử các quark t (top) và b (bottom) cũng đã từng được gọi là "sự thật" (true) và "vẻ đẹp" (beauty), nhưng, vì lý do nào đó chúng ta không hoàn toàn hiểu rõ tại sao những cái tên đó đã không còn được sử dụng.

Dưới đây là một phác họa xinh xắn về các chú lính quark theo The Particle Zoo.

Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-2.jpg

Dòng đầu tiên (u, c, t) được tạo thành từ các hạt với điện tích +2/3 trong khi hàng dưới cùng bao gồm các hạt có điện tích -1/3. Đây là những giá trị tuyệt mỹ vì chúng ta thường nói rằng các proton và electron có điện tích +1 và -1 một cách tương ứng. Mặt khác đây là một ảnh hưởng lịch sử: nếu chúng ta đo điện tích quark, trước tiên ta có thể nói rằng

  • down quark có điện tích -1
  • up quark có điện tích + 2
  • electron có điện tích -3
  • và proton có điện tích +3

Đó chỉ mới là định nghĩa về số "đơn vị" điện tích. Tuy nhiên, điện tích quark và lepton có các tỷ lệ cụ thể, đây thực sự là một thắc mắc, vì nó là gợi ý (rất may chúng ta sẽ không đi vào chi tiết ở đây) về một cái gì đó gọi là lý thuyết thống nhất lớn. (Nhưng các bạn ơi, nó lại không "lớn" như đã nói đến đâu nhé!)

3. Một quark, hai quark, quark đỏ, quark xanh?

Chúng ta đã vẽ sơ đồ trên đây rất khêu gợi: thực sự có ba quark cho mỗi chữ trên. Chúng ta đặt tên cho các hạt quark theo màu sắc: như vậy, chúng ta có thể có một up quark đỏ, một up quark xanh, và một up quark xanh cây, và tương tự như vậy đối với một trong năm quark kia. Hãy để tôi nhấn mạnh rằng quark trong thực tế là không phải thực sự " có màu " theo nghĩa thông thường! Đây chỉ là cách gọi mà các nhà vật lý sử dụng.

Các " màu sắc" ở đây thực ra là một loại đặc tính gọi là sắc tích "chromodynamic " (sắc động lực). Điều này có nghĩa gì? Nhớ lại trong QED (điện động lực học lượng tử thông thường) rằng điện tích của electron có nghĩa là nó có thể liên kết cặp với photon. Nói cách khác, bạn có thể vẽ biểu đồ Feynman trong đó photon và electron tương tác nhau. Đây chính xác là những gì chúng ta đã làm trong bài viết đầu tiên về đề tài này. Trong QED chúng ta chỉ có hai loại: điện tích dương và âm. Khi bạn mang điện tích dương và âm liên kết với nhau, chúng trở thành trung hòa. Trong QCD chúng ta khái quát hóa khái niệm này bằng cách có ba loại sắc tính, và việc cùng đưa cả ba sắc tính này cũng sẽ mang đến cho bạn một cái gì đó trung hòa. (Kỳ quặc thật!)

Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-3.jpg

Việc đặt tên các loại quark khác nhau theo màu sắc thực sự rất khéo léo và được dựa trên cách phối các màu sắc với nhau. Đặc biệt, chúng ta biết rằng phần giao của: màu đỏ + xanh cây + màu xanh = màu trắng. Chúng ta giải thích "trắng" là "màu sắc trung tính," có nghĩa là không có "sắc".

Có một cách thứ hai để có được một cái gì đó màu trung tính như sau: bạn có thể thêm một cái gì đó của một màu với phản - màu của nó. Ví dụ, "phản - màu " của màu đỏ là màu lục lam. Vì vậy, chúng ta có thể có màu đỏ (red) + "phản- đỏ" (cyan) = màu trung tính.

Tóm lại: Sắc + Phản – sắc = Sắc trung tính

4. Nếu chúng ta không nhìn thấy chúng, liệu là quark có thực?

Ý nghĩa chính của tất cả các tương đương " phối sắc " là ở chỗ [ ở năng lượng thấp ], QCD (sắc động lực lượng tử) là một lực liên kết cặp mạnh. Trong thực tế, chúng ta thường chỉ gọi nó là lực mạnh. Trách nhiệm của nó là giữ các proton và neutron cùng với nhau. Người ta thấy rằng QCD rất mạnh đến nỗi nó buộc tất cả trạng thái "sắc tích " tìm đến nhau và trở thành sắc trung tính. Chúng ta sẽ nhận được một số chi tiết về điều này khi theo dõi bài viết kế tiếp giới thiệu các hạt lực QCD, các gluon. Hiện tại, bạn nên tin (với một chút hoài nghi khoa học) rằng không có những hạt " quark tự do ". " Chưa ai đã từng nhặt được một hạt quark và kiểm tra để xác định tính chất của nó vì các hạt quark luôn luôn gắn với các trạng thái liên kết.

Có hai loại trạng thái liên kết:

  • Các trạng thái bị ràng buộc bởi 3 quark: chúng được gọi là baryon.
Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-4.jpg

Bạn đã biết hai hạt: proton và neutron. Proton là một sự kết hợp (uud) trong khi các neutron là một sự kết hợp (ddu).

Bài tập về nhà 1. Hãy kiểm tra những điện tích của proton và neutron theo kiểu cộng điện tích các quark là +1 và 0.

Bởi vì đây phải là sắc trung tính, chúng ta biết rằng sắc quark phải được tổng hợp theo sắc đỏ +xanh cây + xanh.

    • Các trạng thái bị ràng buộc của một quark và một phản- quark: chúng được gọi là meson.
Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-5.jpg
Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-6.jpg

Đây là những sắc trung tính bởi vì bạn có một sắc + phản sắc. Các meson nhẹ nhất được gọi là pion và được tạo thành từ các hạt quark lên (u) và xuống (d). Ví dụ, các meson π+ trông giống như (u phản -d). (Kiểm tra để xác nhận rằng bạn sẽ đồng ý nó có điện tích là +1.)

Nói chung các trạng thái liên kết được gọi là hadron. Trong thế giới thực (tức là trong các máy dò hạt), chúng ta chỉ thấy được hadron bởi vì bất kỳ hạt quark tự do nào sẽ tự động được ghép cặp hoặc với các phản -quark (tức là meson) hoặc với hai quark khác (tức là baryon). Vậy thì những hạt quark đến từ đâu? Chúng ta sẽ sớm thảo luận về chuyện này!

Điều này dường như dẫn đến một câu hỏi gần như mang tính triết học: nếu các quark luôn gắn liền trong các hadron, làm thế nào để chúng ta biết chúng thực sự tồn tại?

Một thực tế lịch sử tóm gọn cho biết: Murray Gell-Mann và Yuval Ne'eman, tổ tiên của mô hình quark, ban đầu đề xuất quark như một công cụ toán học để hiểu các thuộc tính của hadron, phần lớn là vì chúng ta đã tìm thấy rất nhiều hadron, nhưng không thấy được các quark đơn lập. Vào thời điểm những năm 60 mọi người đã thực hiện các phép tính với các hạt quark như một đối tượng trừu tượng mà không có liên quan gì đến vật chất.

5. Lý do tại sao chúng ta tin rằng các hạt quark là có thật

Điều này dường như dẫn đến một câu hỏi gần như triết học: nếu quark luôn gắn liền trong hadron, làm thế nào để chúng ta biết chúng thực sự tồn tại? May mắn thay, chúng ta là nhà vật lý, không phải là triết gia. Cũng như Rutherford đầu tiên khảo sát cấu trúc của hạt nhân nguyên tử bằng cách đập các hạt alpha năng lượng cao (tự nó vốn đã là hạt nhân), các thí nghiệm tán xạ phi đàn hồi sâu tại Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford (chung với MIT và Caltech, Mỹ) trong thập niên 60 va chạm electron vào các mục tiêu hydro lỏng / deuterium và hé lộ cấu trúc hạ tầng hạt quark của proton.

Một cuộc thảo luận về tán xạ phi đàn hồi sâu có thể dễ dàng triển khai khoảng vài bài đăng trên blog nói về vấn đề này. (Thực ra ở các trường đại học có lẽ chỉ cần khoảng vài tuần để bàn luận trong một khóa học về lý thuyết trường lượng tử!) Chúng ta hy vọng sẽ trở lại vấn đề này trong tương lai, vì nó thực sự là một trong những khám phá quan trọng vào nửa cuối thế kỷ XX. Để kích thích ham muốn của các bạn, chúng ta sẽ chỉ vẽ sơ đồ Feynman cho quá trình này như dưới đây:

Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-7.jpg

Sơ đồ này không có tên gọi, nhưng bây giờ bạn sẽ thấy những gì đang xảy ra. Hạt bên trên là electron tương tác với proton, là hạt được vẽ như ba dòng quark bên trái phía dưới. Vòng tròn (về mặt kỹ thuật được gọi là "đốm màu" trong các tài liệu khoa học) đại diện cho một số tương tác QCD giữa ba loại hạt quark (giữ chúng lại với nhau). Điện tử tương tác với một quark thông qua một số loại hạt lực, bởi dòng sóng boson. Để đơn giản bạn có thể giả định rằng nó là một photon. Tuyệt diệu thật, thế là chúng ta đã vừa vẽ được hạt quark tương tác giống như một đường đơn lập thoát ra khỏi các đốm màu.

Bài tập về nhà 2. Bạn hãy suy nghĩ về những gì là khác nhau nếu điều giả định đó là một boson W.

Quark này có phần đặc biệt vì nó là hạt mà các eletron bật lại nhau. Điều này có nghĩa rằng nó nhận được một cú đá lớn về năng lượng là điều có thể bứt nó ra khỏi proton. Như đã đề cập ở trên, quark này bây giờ là "tự do" - nhưng không lâu! Nó phải hadron hóa vào nhiều đối tượng QCD phức tạp khác như meson hay baryon. Phổ của các hạt đi cung cấp các đầu mối về những gì thực sự xảy ra trong biểu đồ.

Chúng ta mới chỉ che đậy trên bề mặt của sơ đồ này mà thôi: có nhiều hiện tượng vật lý rất sâu (không có ý định chơi chữ!) liên quan ở đây. Cũng bằng cách này: các tương tác đang được quan tâm tại LHC tương tự như sơ đồ trên, chỉ với hai proton tương tác!

6. Một gợi ý của lý thuyết nhóm và lý thuyết thống nhất lớn

Sẽ rất là cẩu thả nếu không đề cập đến một số sự đối xứng của các nội dung của Mô hình Chuẩn. Chúng ta hãy nhìn vào tất cả các fermion đã gặp cho đến nay:

Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-8.jpg

Có tất cả các loại mô hình tuyệt vời nhất mà người ta có thể thu lượm từ những điều mà chúng ta đã học được trong những bài đăng trên blog trước đây. Hai hàng đầu là quark (mỗi hạt với ba màu sắc khác nhau), trong khi hai hàng dưới cùng là lepton. Mỗi hàng có một điện tích khác nhau. Mỗi cột mang tính chất tương tự, ngoại trừ việc mỗi cột kế tiếp là nặng hơn so với trước đó. Chúng ta biết rằng boson W trung hòa những phân rã giữa các cột, và vì những vật nặng phân rã thành những vật nhẹ hơn, nên hầu hết vũ trụ của chúng ta được độc quyền tạo thành từ cột đầu tiên.

Có những mô hình khác mà chúng ta có thể nhìn thấy. Ví dụ:

- Khi lần đầu tiên biết đến QED, chúng ta chỉ cần một loại hạt, đó là điện tử electron. Chúng ta cũng biết rằng các electron và phản-electron (positron) có thể tương tác với một photon.

- Khi gặp lực yếu (boson W), chúng ta cần phải giới thiệu về một loại khác về hạt: đó là neutrino. Một electron và một phản-neutrino có thể tương tác với một boson W.

- Bây giờ chúng ta lại vừa gặp lực mạnh, QCD. Trong bài tiếp theo, chúng ta sẽ gặp gỡ hạt lực, là các gluon. Tuy nhiên, như những gì ta đã nói, là có ba loại hạt tương tác với QCD: đỏ, xanh cây và xanh dương. Để hình thành một cái gì đó trung tính, bạn cần tất cả ba sắc tích để triệt tiêu.

Có một nguyên do toán học rất sâu xa giải thích tại sao chúng ta lại có được điều này: các kiểu đếm một-hai- ba: nó xuất phát từ cơ sở " đối xứng gauge " của Mô hình Chuẩn. Lĩnh vực toán học của lý thuyết nhóm là (một định nghĩa thô) nghiên cứu về cách các sự đối xứng có thể tự biểu diễn. Mỗi loại lực trong mô hình chuẩn có liên quan đến một nhóm đối xứng đặc biệt. Các nhóm đối xứng của Mô hình Chuẩn là:

U (1) SU (2) SU (3). Vì thế ta thường nói rằng có kiểu đếm một-hai-ba.

Nó chỉ ra rằng điều này cũng rất gợi ý đến lý thuyết thống nhất lớn. Động cơ chính của ý tưởng là tất cả ba lực, thực sự sẽ cùng phù hợp một cách tốt đẹp (có thực không?), trở thành một lực duy nhất được biểu diễn bởi một " nhóm đối xứng ", gọi là SU (5). Trong sự phối hợp như vậy, mỗi cột trong " bảng tuần hoàn " ở trên có thể thực sự được " trích xuất " từ các thuộc tính toán học của nhóm GUT (grand unification theory- lý thuyết thống nhất lớn). Vì vậy, theo cùng một cách mà QCD nói với chúng ta, phải cần ba màu sắc, nhóm GUT sẽ cho chúng ta biết rằng vật chất phải đến theo các tập hợp gồm các quark với ba sắc (3), một lepton tích điện (1), và một neutrino (1), tất cả cuộn với nhau (5)!

Nhân đây, bạn không nên nhầm lẫn giữa " lý thuyết thống nhất lớn " (GUT) với "lý thuyết của tất cả mọi thứ " (TOE), khi nói chúng tương tự với nhau. Loại thứ nhất là các lý thuyết về vật lý hạt, trong khi loại sau cố gắng thống nhất vật lý hạt với lực hấp dẫn [ ví dụ như lý thuyết dây (String theory) ]. Lý thuyết thống nhất lớn thực sự khá nhàm chán và hầu hết các nhà vật lý nghi ngờ rằng bất cứ điều gì hoàn thành mô hình chuẩn có thể bằng cách nào đó rất cuộc sẽ thống nhất (GUT) (mặc dù chưa có bằng chứng thực nghiệm trực tiếp nào). Trong khi đó " các lý thuyết về tất cả mọi thứ (TOE) " được nghiên cứu và suy đoán thêm rất nhiều bằng cách so sánh.

7. Tiểu sử 6 chàng quark

Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-9.jpg

Quark là một hạt cơ bản sơ cấp và là một thành phần cơ bản của vật chất. Các quark kết hợp với nhau tạo thành các hadron -Do một hiệu ứng gọi là sự giam sắc, các quark không đứng riêng rẽ; mà chỉ có thể tìm thấy bên trong các hadron. Từ đó chúng ta nhận biết các quark thông qua các hadron.

Có 6 loại quark: lên (u), xuống (d), duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b). Các quark lên (u) và quark xuống (d) có khối lượng nhỏ nhất trong các quark. Qua quá trình phân rã hạt, các quark nặng hơn dễ biến đổi sang các u và d: Chúng ta nói đây là sự biến đổi từ một trạng thái khối lượng cao sang trạng thái khối lượng thấp hơn, ổn định và phổ biến trong vũ trụ. Các quark duyên (c), lạ (s), đỉnh (t), và đáy (b) chỉ có thể được tạo ra trong các vụ va chạm năng lượng cao (thường thấy trong tia vũ trụ và trong các máy gia tốc hạt).

Một số tính chất đặc trưng của quark là khối lượng, spin, điện tích và sắc tích (color charge). Trong mô hình chuẩn của vật lý hạt, quark là những hạt cơ bản tham gia vào 4 tương tác cơ bản (điện từ, hấp dẫn, mạnh, và yếu), cũng là các hạt cơ bản có điện tích không nguyên. Đối với mỗi hương quark có tương ứng với một phản quark, có tính chất có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu và phản sắc.

Các quark đều mang một tính chất gọi là sắc tích (color charge). Có 3 loại sắc tích là lam, lục, và đỏ. Tương ứng với chúng là các phản sắc - phản lam, phản lục, và phản đỏ. Mỗi quark mang một sắc, và tương ứng mỗi phản quark mang một phản sắc.

Mô hình quark do 2 nhà vật lý Murray Gell-Mann và George Zweig đề xuất năm 1964, được xem như biểu đồ sắp xếp cho các hadron. Cả 6 anh chàng quark này đều đã được quan sát trong các máy gia tốc thực nghiệm khoảng cuối thập niên 60. Như chúng ta đã biết, Mô hình chuẩn là một mô hình lý thuyết mô tả các hạt cơ bản được biết đến hiện nay, và cả những hạt chưa quan sát được như boson Higgs. Mô hình này gồm sáu hương quark u, d, c, s, t, b. Phản hạt của quark được gọi là phản quark: có cùng khối lượng, thời gian sống trung bình, spin - nhưng điện tích và sắc tích ngược lại. Phản quark kí hiệu bằng dấu gạch ngang bên trên quark tương ứng.

Bai-7-Cac-chu-linh-quarks-Mot-cuoc-gap-go-thu-vi-10.jpg

Các quark có spin bán nguyên -1⁄2, là các hạt fermion tuân theo định luật thống kê spin và nguyên lý loại trừ Pauli, không có 2 fermion nào có thể đồng thời chiếm cùng một trạng thái lượng tử. Trái ngược với các hạt boson có spin nguyên, bất kì số lượng hạt nào cũng có thể chiếm cùng một trạng thái. Khác với các lepton, các quark có sắc tích, nên chúng tham gia vào tương tác mạnh. Các quark kết hợp nhau thành các hạt tổ hợp gọi là các hadron.

Các quark hóa trị là các quark xác định số lượng tử của các hadron. Ngoài ra, bất kì một hadron nào cũng có thể chứa một số vô hạn các hạt ảo (hay biển) quark, phản quark, và các gluon mà không ảnh hưởng đến số lượng tử của các hadron. Có hai họ hadron:

  • Baryon, với ba quark hóa trị.
  • Meson, với một quark và một phản quark hóa trị.

- Những baryon hay gặp nhất là proton và neutron.

Nhiều hadron đã được biết đến và các hadron khác nhau là do thành phần các quark và các tính chất của quark trong các hạt này.

Bảng tính chất của sáu hương quark.

Bảng tính chất các quark

8. Kết luận: từ đây chúng ta sẽ đi đến đâu?

Chúng ta đã được giới thiệu nhanh chóng về QCD chỉ qua một vài thông tin trên bài viết này. Hy vọng rằng sắp tới chúng ta sẽ có dịp tìm hiểu thêm một vài chi tiết về mô tả gluon và hadron nữa.

Đối với tất cả người hâm mộ LHC thì: QCD là thực sự rất quan trọng. (Còn đối với tất cả các bạn là các nhà khoa học LHC, chắc bạn cũng đã biết rằng có một cụm từ chính xác: " QCD thực là nhiễu sự "). Khi chúng ta nói rằng SLAC / Brookhaven phát hiện quark duyên (c) hoặc Fermilab phát hiện ra quark đỉnh (t), không ai thực sự đóng chai được các hạt quark và trình bày cho Ủy Ban Vật lý Nobel cả. Các máy phát hiện của chúng ta nhìn thấy hadron, và các tính chất của quy trình cụ thể như tán xạ phi đàn hồi sâu cho phép chúng ta tìm hiểu phần nào gián tiếp về cấu trúc hạ tầng của các hadron để tìm hiểu về sự tồn tại của hạt quark. Điều này, nói chung, thực sự, thực sự,và thực sự khó khăn cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm.

Cảm ơn tất cả các bạn đã xem bài viết này,

Theo FLIP TANEDO | USLHC | USA

Tham khảo

1. http://www.quantumdiaries.org/2010/09/14/meet-the-quarks/

2. http://en.wikipedia.org/wiki/Quark

3. http://vi.wikipedia.org/wiki/Thi_nghiem_Rutherford

4. http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/nucleus/nucleus4_1.htm

5. http://phet.colorado.edu/vi/contributions/view/3064

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