LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, khẩn trương đến nay đề tài
khóa luận tốt nghiệp của em đã hoàn thành. Trong thời gian nghiên cứu em đã
được sự giúp đỡ tận tình của giảng viên – Th.s Hoàng Phúc Huấn – người
trực tiếp hướng dẫn em làm đề tài này cùng các thầy cô trong khoa Vật Lí,
đặc biệt là tổ Vật Lý lý thuyết trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 và các bạn
sinh viên khoa Vật Lý.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật Lý
trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, cùng gia đình, bạn bè đã động viên khích
lệ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này.

Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Tâm


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp “Sử dụng máy gia tốc hạt để
nghiên cứu hạt nhân và tìm ra một số hạt cơ bản”, đây là khóa luận tốt nghiệp
của bản thân. Tất cả những thông tin tham khảo dùng trong khóa luận lấy từ
các công trình nghiên cứu có liên quan đều được nêu rõ nguồn gốc trong danh
mục tài liệu tham khảo. Các kết quả nghiên cứu đưa ra trong khóa luận tốt
nghiệp là hoàn toàn trung thực

Ngày

tháng

năm 2013

3.10. Tìm một số hạt cơ bản ......................................................................... 43
KẾT LUẬN ................................................................................................. 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 47


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Vật lý hạt nhân là một phần cơ bản trong vật lý đại cương. Những
thành tựu của vật lý hạt nhân đã góp phần đáng kể trong việc phát triển vật lý
nhân loại. Nó có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống con
người như chữa bệnh, khảo cổ, tạo ra năng lượng … Công cụ chính để tạo ra
phản ứng hạt nhân chính là máy gia tốc. Máy gia tốc là thiết bị dùng điện
trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt mang điện tích.
Máy gia tốc được phát triển nhờ những sáng kiến về vật lý hạt nhân và vật lý
hạt cơ bản xuất phát từ những khát vọng khám phá thế giới tự nhiên của con
người. Tiếp theo đó máy gia tốc được xây dựng đã mở ra một lĩnh vực khoa
học máy gia tốc mới đan xen với rất nhiều ứng dụng của máy gia tốc. Bên
cạnh đó máy gia tốc còn đóng vai trò vô cùng quan trọng, nó được sử dụng
trong nghiên cứu các hạt sơ cấp. Large Hadron Collider là chiếc máy gia tốc
hạt hiện đại lớn nhất và cung cấp gia tốc mạnh nhất trên thế giới, được thiết
kế để tạo va chạm trực diện giữa các tia proton với động năng cực lớn. Mục
đích chính của nó là phá vỡ những giới hạn và mặc định của mô hình chuẩn những lý thuyết cơ bản hiện thời của vật lý hạt. Trên lý thuyết, chiếc máy này
được cho là sẽ chứng minh được sự tồn tại của hạt Higgs, những kết quả
nghiên cứu từ chiếc máy này có thể chứng minh những dự đoán từ trước cũng
như những liên kết còn thiếu trong mô hình chuẩn, và giải thích được những
hạt sơ cấp khác có được những đặc tính như khối lượng như thế nào. Vì các lý
do trên tôi chọn đề tài: “SỬ DỤNG MÁY GIA TỐC HẠT ĐỂ NGHIÊN
CỨU HẠT NHÂN VÀ TÌM RA MỘT SỐ HẠT CƠ BẢN".
2. Mục đích nghiên cứu

CHƯƠNG 1. MÁY GIA TỐC

1.1. Định nghĩa máy gia tốc hạt
Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc
các hạt tích điện đều được gọi chung là máy gia tốc hạt.
+ Vì vậy nguyên lý hoạt động, cấu tạo, kích thước của các máy gia tốc
là khác nhau. Máy gia tốc được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.
+ Trong vật lý, máy gia tốc đóng vai trò đặc biệt quan trọng, nó được
sử dụng trong nghiên cứu các hạt sơ cấp.
+ Sự đa dạng của các loại máy gia tốc, năng lượng, cường độ và chất
lượng cùng với các dòng hạt thứ cấp sinh ra từ chúng như bức xạ hãm, bức xạ
đồng bộ, nơtron, mesons, các chùm hạt nhân phóng xạ đã mở rộng lĩnh vức
ứng dụng của máy gia tốc.
1.2. Phân loại máy gia tốc hạt
Trong quá trình được gia tốc hạt có thế chuyển động theo quỹ đạo
thẳng hoặc quỹ đạo tròn. Trên cơ sở tính chất của quỹ đạo người ta phân ra
hai loại máy gia tốc:
1.2.1. Máy gia tốc thẳng
Máy gia tốc thẳng là loại máy gia tốc cổ. Máy gia tốc thẳng cổ nhất là
máy gia tốc kiểu Vi-do-ro-e ra đời từ năm 1930: cho chùm hạt mang điện đi
qua một dãy nối tiếp các miền trong đó có điện trường, các hạt mang điện sẽ
được tăng tốc nhờ điện trường. Cuối cùng, các hạt mang điện có thể có năng
lượng khoảng vài trăm MeV.
Trong ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc người ta thường dùng phối hợp
máy gia tốc thẳng với máy gia tốc vòng. Một số máy gia tốc thẳng có thể kể
đến chiếc máy của Pháp, khánh thành năm 1958, và những thí nghiệm đầu
tiên được tiến hành vào năm 1959.
3




Hình 1.1 Sơ đồ của Cyclotron

Hình 1.2 Buồng gia tốc của
Cyclotron

Nếu không thay đổi năng lượng những hạt tích điện trong một từ
trường sẽ đi theo một đường tròn. Trong Cyclotron, năng lượng được cung
cấp cho hạt mang điện khi chúng vượt qua khoảng giữa “D” và vì vậy chúng
được gia tốc và sẽ tăng khối lượng khi mà chúng tiến dần đến năng lượng ánh
sáng.Cả hai hiệu ứng (tăng vận tốc và tăng khối lượng) sẽ tăng bán kính của
hình tròn và vì vậy đường đi sẽ là một đường xoắn ốc.
(Những hạt điện tích chuyển động trên một đường xoắn ốc, bởi vì dòng
điện của electron hoặc ion, phun thẳng đến một từ trường. Những hạt điện
tích chuyển động tự do trong chân không, vì vậy những hạt điện tích phun ra
một đường xoắn ốc.)
Bán kính sẽ tăng cho đến khi bắn mục tiêu nằm trên chu vi của ống
chân không.Những vật chất khác có thể được dùng làm mục tiêu, và sự va
chạm sẽ tạo những hạt điện tích thứ yếu cái mà có thể được dẫn ra ngoài
Cyclotron và đi đến dụng cụ phân tích. Kết quả sẽ cho phép tính toán những
thuộc tính khác nhau, như là khoảng cách giữa các nguyên tử và những sản
phẩm va chạm khác.
Mục đích của Cyclotron
Trong vài thập kỉ, Cyclotron là cái nguồn tốt nhất của những chùm
năng lượng cao của thí nghiệm vật lý hạt nhân hoặc có thể dung để bắn phá
các nguyên tử khác để tìm ra các hạt đồng vị. Vài Cyclotron thì vẫn dùng cho
nghiên cứu xem xét ung thư và diệt các khối u ác tính bằng xạ trị.

5


cyclotron Berkeley
184-inch Berkeley
cyclotron Rad Lab[1]

Năm hoạt
động

Laboratory

Hạt được Động
gia tốc

1931

Tròn H2+

1932

Tròn Proton

1932-1936 Tròn Deuteron

1937-1938 Tròn Deuteron

1939-1941 Tròn Deuteron

1942-

Tròn Various


cứu

sự

tách biệt trên đồng
vị urani
Được sử dụng để

Oak Ridge
Calutrons National

Dạng

1943-

Móng Uranium

đồng vị riêng biệt

ngựa nuclei

cho

các dự

án

Manhattan

Máy gia tốc đầu tiên xây dựng tại Lawrence Berkeley National


động
1953-1968

Vòng tròn
(72 m )

1939-

Hạt được gia
tốc

Động năng

Proton

3.3 GeV

Proton

1 GeV

Khám phá
mesons nhân tạo

Khám phá hạt lạ:
1954-~1970

Đường thẳng


máy Bevatron

khối ung bứu

Saturne

Saclay, France

Synchrophasotron

Dubna, Russia

3 GeV
December

10 GeV

1949-present
7


Zero Gradient

Phòng thí nghiệm

Synchrotron

quốc gia Argonne

Proton

Proton

33 GeV

phạm trong kaons
1966-present

máy gia tốc thẳng

Electron/

3 km

Positron
Protons

Fermilab

1970-present

Tròn

Fermilab

1995-present

Tròn

Protons and
antiprotons


Super Proton
Synchrotron
Bates Linear
Accelerator

CERN

1980-present

Tròn

Middleton, MA

1967-2005

Thẳng

Protons and
ions
Electrons
phân cực

480 GeV

1 GeV

Thomas Jefferson
CEBAF


Rutherford Appleton
Laboratory, Didcot,

Năng lượng cao
1984-present

H- Linac

Protons

Oxon
Mainz, Germany

800 MeV

khi tia proton
được vận hành

855 MeV

Electrons

accelerator

phân cực

9


Superconducting

Bảng 1.3: Sự va chạm của Electron-positron

Máy gia tốc

Vị trí

Năm vận

Hình dạng và

hành

chu vi

1961-1964

Tròn, 3 m

Năng

Năng

lượng

lượng

electron

Positron


VEPP-2,

Novosibirsk,

VEPP-2M

Soviet Union

SPEAR

SLAC

1962-1967

1964-1968

1965-1999

2 vòng tròn,
12 m
2 vòng tròn,
2.7 m

Khám phá

300 MeV 300 MeV

Sản xuất cặp e+esố lượng e+e-

130 MeV 130 MeV


45 GeV

SLD, Mark
II
Aleph,

LEP

CERN

1989-2000

Tròn , 27km

104 GeV

104 GeV

Delphi,

Tương tác yếu,

Opal, L3
ARGUS,
DORIS

DESY

1974-1993

12

khám phá gluon


CUSB,
CHESS,
CESR

Cornell
University

1979-2002

tròn, 768m

6 GeV

6 GeV

CLEO,
CLEO-2,
CLEO-2.5,
CLEO-3

CESR-c

Cornell
University


VEPP-2000

Novosibirsk

2006-

Tròn , 24m

1.0 GeV

1.0 GeV

VEPP-4M

Novosibirsk

1994-

Tròn , 366m

6.0 GeV

6.0 GeV

BEPC

China

1989-2004




(I and II)
DAΦNE

Frascati, Italy

1999-

Tròn , 98m

0.7 GeV

0.7 GeV

KLOE
Beijing

BEPC II

China

2008-

Tròn , 240m

3.7 GeV

3.7 GeV Spectrometer
III

Fermilab

1992
1992-1995

Vòng tròn (6.3km )

Proton Synchrotron)
Tevatron
Run I
Tevatron
Run II
RHIC
proton+proton mode

Fermilab 2001
2001-present

BNL

2000
2000-present

Vòng tròn (6.3 km)

Vòng tròn (3.8 km)

Hạt va chạm
Proton/
Proton

Proton

GeV

PHENIX,
STAR
ALICE,

Large Hadron
Collider

CERN

2008
2008-present

Vòng tròn (27 km)

Proton/
Proton

7 TeV

ATLAS,
CMS, LHCb,
TOTEM

15



Vòng tròn(6336
m)

Thí nghiệm
H1, ZEUS, HERMES,
HERA-B

Bảng 1.6 Va chạm ion
Năm
Máy gia tốc

Vị trí

vận
hành

Relativistic Heavy Brookhaven National
Ion Collider

Laboratory, New York

mode

CERN

kích thước

Ion được dùng

Au-Au; Cu-Cu;

per nucleon

Brahms, Phobos

ALICE


CHƯƠNG 2. VAI TRÒ CỦA MÁY GIA TỐC

2.1. Tìm hạt cơ bản
2.1.1. Định nghĩa
Hạt cơ bản là những thực thể vi mô tồn tại như một hạt nguyên vẹn,
đồng nhất, không thể tách thành các phần nhỏ hơn mà bản thân chúng không
có cấu trúc bên trong; ví dụ như các hạt photon, electron, positron, neutrino…
2.1.2. Tính chất
2.1.2.1. Khối lượng nghỉ
Khối lượng nghỉ hay khối lượng tĩnh của một vật là khối lượng của vật
xét trong một hệ quy chiếu mà theo hệ đó, vật là đứng yên. Đại đa số vật chất,
trừ phôtôn và nơtrinô, đều có khối lượng nghỉ khác không.
2.1.2.2. Thời gian tồn tại
Các hạt cơ bản đa số có thể phân rã thành các hạt khác. Thời gian sống
của chúng dao động từ 10-6 đến 10-24 giây. Một số ít hạt cơ bản được gọi là
bền, có thời gian sống rất lớn, có thể coi là bền như electron 1022 năm, prôtôn
1030 năm. Người ta nghiên cứu thời gian sống của hạt cơ bản thông qua lý
thuyết xác suất, dựa trên thời gian để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ
còn lại 0,5n hạt
2.1.2.3. Điện tích
Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và
nơtrinô ν. Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối
đều bằng điện tích nguyên tố của electron 1,602 x 10-19 C



Điện tử e- - Positron e+



Neutron n – phản neutron antin hay



Proton p hay p + - phản proton

hay p −

2.1.3. Phân loại các hạt cơ bản
2.1.3.1. Hạt Femion
Các hạt fermion có spin bán nguyên ½. Mỗi hạt fermion đều có một
phản hạt riêng. Fermion là hạt cơ bản cấu thành nên vật chất. Chúng được
phân loại dựa theo tương tác trong thuyết sắc động học phân tử và theo mô
hình chuẩn có 12 hương của fermion cơ bản, bao gồm 6 quark và 6 lepton.

18


Vì có spin nửa
ửa nguyên,
nguy
khi một
ột fermion quay 360°, hhàm sóng của
fermion sẽẽ đổi dấu. Đó đ

ồ cấu trúc quark của neutron và
v proton
Các quark tương tác với
v nhau bởi lực màu (color force),
), m
mỗi quark đều
có phản hạt và tồn
ồn tại ở 6 hương.
h
Bảng 2.1 Quark
Hệ

Tên/Hương Điện tích Khối lượng (MeV)

Phản
n quark

Trên

(u) +⅔

1.5 đến 4

Phản
n quark trên:

Dưới

(d) −⅓


n quark đáy:

Đỉnh

(t) +⅔

178,000 ± 4,300

Phản
n quark đỉnh:
đ

1

2

3

19


Các Lepton:
Lepton (tiếng Hy Lạp là λεπτόν) có nghĩa là "nhỏ" và "mỏng". Tên này
có trước khi khám phá ra các hạt tauon, một loại hạt lepton nặng có khối
lượng gấp đôi khối lượng của proton.
Lepton là hạt có spin bán nguyên ½, và không tham gia trong tương tác
mạnh. Lepton hình thành một nhóm hạt cơ bản phân biệt với các nhóm gauge
boson và quark.
Có 12 loại lepton được biết đến, bao gồm 3 loại hạt vật chất là electron,
muon và tauon, cùng 3 neutrino tương ứng và 6 phản hạt của chúng. Tất cả


tích

Khối
lượng
(MeV)

Electron

/

Phản

−1 /

electron

+1

neutrino

/

0,000511 Electron

0


Tau
Tauon

/

Phản tauon

−1 /
+1

1,777

neutrino
Tau

/

phản

0



Graviscalar có spin 0.



Graviphoton có spin 1.



Goldstone boson.



X boson và phản X boson được dự đoán trong lý thuyết thống

nhất GUT.

21


2.1.4. Tương tác của các hạt sơ cấp
Chúng là các hạt truyền tương tác giữa các cấu tử vật chất. Cho đến nay
có thể cho rằng, giữa thế giới của các hạt vật chất có bốn loại tương tác có 4
loại tương tác cơ bản:
2.1.4.1. Tương tác mạnh
Lực tương tác mạnh là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên, liên kết
các quark có màu để tạo thành hadron, trong đó có proton, neutron, các hạt
tạo nên hạt nhân nguyên tử. Lực này giữ các thành phần của hạt nhân nguyên
tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton. Lực này được chia
làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực mạnh dư. Lực tương tác mạnh