Neutrinos là một hạt thuộc fermion với spin \(=1/2\), không có điện tích, khối lượng rất bé và có ba hương vị (flavor): neutrino-electron, neutrino-muon, neutrino-tau tùy theo việc neutrino đi kèm với electron, hay muon hay tau trong các phân rã.
Neutrino xuất phát từ Big Bang, từ các quá trình xảy ra trong không gian, trên Trái Đất, từ Mặt Trời, từ bùng nổ các siêu tân tinh (supernovas), từ các lò phản ứng hạt nhân và từ các phân rã phóng xạ tự nhiên. Số lớn neutrino đến mặt Trái Đất từ các phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời. Sau photon -hạt ánh sáng thì neutrinos là một hạt kỳ diệu và có rất nhiều trong vũ trụ.
Hạt quark dưới phân rã thành proton, electron và phản neutrino
Neutrino và phản neutrino, hạt Dirac và hạt Majorana
Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng các phản neutrino đều có helicity dương (hạt phải) còn neutrino có helicity âm (hạt trái). Nếu neutrino là một hạt Dirac (như các hạt trong SM) thì neutrino và phản neutrino là hai hạt khác nhau. Song nếu neutrino là một hạt Majorana thì neutrino và phản neutrino trùng nhau và là cùng một hạt. Không giống như hạt Dirac (hạt và phản hạt khác nhau) các hạt Majorana đồng nhất với phản hạt.
Liệu neutrino là hạt Dirac hay là hạt Majorana?
Đây là một vấn đề còn bỏ ngỏ đối với hạt neutrino. Câu hỏi này (hạt Dirac hay hạt Majorana?) có thể tìm được câu trả lời trong những phân rã beta kép không có neutrino (xem hình 6).
Nhiều hạt nhân đồng vị có thể có hai phân rã beta đồng thời và thông thường sẽ phát ra hai electron và hai phản neutrino. Kết quả của phân rã kép beta sẽ không cho ta một neutrino nào nếu như neutrino là những hạt Majorana. Mô hình Majorana cho neutrino có ưu điểm giải thích được sự bất đối xứng vật chất/phản vật chất: vì sao vũ trụ lại có nhiều vật chất mà phản vật chất hầu như khó tìm ra?
Giả thuyết Pauli
Neutrino được nhắc đến đầu tiên bởi Wolfgang Pauli vào năm 1930 để giải thích cho việc bảo toàn năng lượng, động lượng và mômen động lượng (spin) trong phân rã beta. Trái ngược với Niels Bohr, người đã đề xuất rằng bảo toàn năng lượng là một hiện tượng mang tính thống kê nhằm giải thích phổ năng lượng liên tục của electron thoát ra từ phân rã beta, Pauli giả thiết rằng có một loại hạt không quan sát được, phát sinh cùng với electron trong phân rã và do đó mang đi một phần năng lượng. Ông gọi hạt này là "neutron", sử dụng hậu tố -on giống như proton hay electron.
Sau đó hai năm, vào năm 1932, James Chadwick đã tìm ra một loại hạt mới trong cấu phần của hạt nhân nguyên tử, nặng gần bằng proton và cũng đặt tên cho nó là neutron, dẫn đến việc hai loại hạt có cùng một tên gọi. Pauli (vào năm 1932) đã dùng tên gọi "neutron" để chỉ cả hai loại hạt (hạt trung hòa giúp bảo toàn năng lượng trong phân rã beta và một hạt trung hòa được giả thuyết là nằm trong hạt nhân nguyên tử) do ông xem hai hạt này là một. Tên gọi "neutrino" xuất phát từ Enrico Fermi, người đã sử dụng từ này trong một hội nghị ở Paris vào tháng 7 năm 1932 và trong hội nghị Solvay tháng 10 năm 1933. Về sau Pauli cũng bắt đầu sử dụng tên gọi này thay cho "neutron".
Trong lý thuyết Fermi về phân rã beta, neutron - khám phá của Chadwick- có thể phân rã thành một proton, một electron cùng với một hạt trung hoà nhỏ hơn:
\[n^0 \longrightarrow p^+ e^-+ \overline{\nu}_e \]
Tán xạ neutrinos
Tán xạ sâu không đàn hồi neutrino sử dụng boson W ảo để thăm dò cấu trúc hạt nhân. Điều này cung cấp thông tin về hàm cấu trúc parton và là ví dụ điển hình cho việc tính tiết diện tương tác yếu.
Chùm tia neutrino: Bắn proton năng lượng cao vào bia cố định để tạo ra hadrons (pion/kaon). Hội tụ pion/kaon rồi để chúng phân rã tuân theo phản ứng:
\[\pi^+\longrightarrow \mu^++\nu_{\mu}\]
\[K^+\longrightarrow \mu^+ +\nu_{\mu}\]
For \(\nu_{\mu}-\) proton Deep Inelastic Scattering the underlying process is \(\nu_{\mu}\rightarrow \mu^- u\)
In the limit \(q^2\ll m_W^2\) the W-boson propagator is \(\approx ig_{\mu\nu}/m_W^2\)
The Feymann rules give:
Evaluate the matrix element in the extreme relativistic limit where the
muon and quark masses can be neglected
In this limit the helicity states are equivalent to the chiral states and
Since the weak interaction “conserves the helicity”, the only helicity combination where the matrix element is non-zero is
Tài liệu tham khảo
- Pontecorvo, B. (1957). Mesonium and anti-mesonium. Nuclear Physics, 3, 451–458.
- Maki, Z., Nakagawa, M., & Sakata, S. (1962). Remarks on the unified model of elementary particles. Progress of Theoretical Physics, 28(5), 870–880.
- Fukuda, Y., et al. (Super-Kamiokande Collaboration). (1998). Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos. Physical Review Letters, 81(8), 1562.
- Mohapatra, R. N., & Pal, P. B. (2004). Massive Neutrinos in Physics and Astrophysics (3rd ed.). World Scientific.
- Giunti, C., & Kim, C. W. (2007). Fundamentals of Neutrino Physics and Astrophysics. Oxford University Press.
- Tanabashi, M., et al. (Particle Data Group). (2018). Review of Particle Physics. Phys. Rev. D 98, 030001.
- Zuber, K. (2011). Neutrino Physics (2nd ed.). CRC Press.
- de Gouvêa, A. (2005). Neutrino masses and mixing: evidence and implications. arXiv:hep-ph/0411274.
- Abazajian, K. N., et al. (2012). Light Sterile Neutrinos: A White Paper. arXiv:1204.5379 [hep-ph].
- Drewes, M. (2013). The Phenomenology of Right Handed Neutrinos. arXiv:1303.6912 [hep-ph].
- Ahmad, Q. R., et al. (SNO Collaboration). (2001). Measurement of the rate of νe + d → p + p + e− interactions produced by 8B solar neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory. Phys. Rev. Lett. 87, 071301.
- Aartsen, M. G., et al. (IceCube Collaboration). (2013). Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector. Science, 342(6161), 1242856.
- Nguyễn Văn Hòa. (2020). Neutrino và sự dao động của chúng: Thử nghiệm và ý nghĩa vật lý. Tạp chí Vật lý và Ứng dụng, 16(3), 34–41.
- Trần Thanh Sơn. (2022). Vai trò của neutrino trong việc tìm kiếm vật lý vượt Mô hình Chuẩn. Tạp chí Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, 38(2), 67–74.
- Khoa Vật lý – Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Hà Nội. (2021). Bài giảng Vật lý hạt cơ bản nâng cao [Tài liệu nội bộ].
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét