Luận văn Tìm kiếm đơn cực từ: cở sở lý thuyết và thực nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  TÁC GIẢ: NGUYỄN THỊ NGỌC HẰNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  TÁC GIẢ: NGUYỄN THỊ NGỌC HẰNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM NGÀNH : SƯ PHẠM VẬT LÝ MSSV: K33102017 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TSKH. LÊ VĂN HOÀNG TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2011 LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Hoàng, người đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin gởi lời tri ân đến quý thấy cô Khoa Vật Lý – Trường ĐHSP. TP. HCM đã tận tình giảng dạy, trạng bị những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt những năm học vừa qua. Sự tận tụy của thầy cô là tấm gương để tôi suốt đời noi theo và phấn đấu cho sự nghiệp giáo dục. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình làm luận văn cũng như những năm tháng trên giảng đường đại học. Cuối cùng tôi không thể thể hiện hết sự biết ơn của tôi đối với gia đình, ba, mẹ, các anh chị đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cả về vật chất lẫn tinh thần giúp tôi vững tâm học tập trong suốt những năm học đại học cũng như trong suốt thời gian tôi làm luận văn. Xin gửi lời chúc sức khỏe đến thầy cô, gia đình và bạn bè. TP. Hồ Chí Minh, ngày 29-4-2011 Nguyễn Thị Ngọc Hằng MỤC LỤC 20TLỜI CẢM ƠN20T ........................................................................................................ 2 20TMỤC LỤC20T .............................................................................................................. 3 20TDANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT20T ....................................................................... 5 20TDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ20T ............................................................................... 6 20TDANH MỤC CÁC BẢNG THỐNG KÊ20T ............................................................. 10 20TLỜI MỞ ĐẦU20T ...................................................................................................... 11 20TChương 1: Lý thuyết đơn cực từ20T .......................................................................... 14 20T1.1 Lịch sử đơn cực từ20T ...................................................................................... 14 20T1.2 Đơn cực từ Dirac20T ....................................................................................... 17 20T1.3 Những động lực vật lý để tìm kiếm đơn cực từ20T ......................................... 22 20T1.3.1 Sự tồn tại của đơn cực từ giải thích sự lượng tử hóa của điện tích20T ... 22 20T1.3.2 Hệ phương trình Maxwell mở rộng đối xứng với đơn cực từ20T ............ 24 20T1.3.3 Đơn cực từ trong lý thuyết thống nhất lớn20T .......................................... 25 20T1.4 Đặc tính của đơn cực từ20T ............................................................................. 28 20T1.4.1Khối lượng đơn cực từ20T ......................................................................... 28 20T1.4.2 Phản ứng của đơn cực từ trong từ trường20T ........................................... 32 20T1.4.3 Phản ứng của đơn cực từ với vật chất20T ................................................. 33 20T1.5 Kĩ thuật tìm kiếm đơn cực từ20T ..................................................................... 34 20T1.5.1 Máy dò cảm ứng siêu dẫn20T ................................................................... 34 20T1.5.2 Máy dò ion hóa20T ................................................................................... 36 20T1.5.3 Máy dò dấu vết hạt nhân (NTD)20T ........................................................ 38 20TChương 2: Tìm kiếm đơn cực từ trong tự nhiên20T ................................................. 42 20T .1 Đơn cực từ GUT20T......................................................................................... 42 20T .1.1 các giới hạn tìm kiếm trong vật lý thiên văn và vũ trụ.20T ...................... 43 20T .1.2 Tìm kiếm đơn cực từ bị giữ trong vật chất20T ......................................... 45 20T .1.3 tìm kiếm đơn cực từ trong các bức xạ vũ trụ20T ...................................... 46 20T .2 Một thể hiện của đơn cực từ trong môi trường vật chất đông đặc20T ............. 54 20TChương 3: tìm kiếm đơn cực từ trong máy gia tốc20T .............................................. 62 20T3.1 Lý thuyết tạo ra đơn cực từ trong máy gia tốc và tính toán các mặt cắt20T .... 64 20T3.2 mô hình thí nghiệm gián tiếp:20T .................................................................... 69 20T3.3 Mô hình thí nghiệm trực tiếp:20T .................................................................... 74 20T3.4 Thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ ở tương lai20T ............................................. 77 20T3.4.1 Thí nghiệm MoDAL tại LHC [19]20T ..................................................... 77 20T3.4.2 Dự tích tìm kiếm các đơn cực từ tại Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) [20]20T .................................................................................................. 79 20TKẾT LUẬN20T .......................................................................................................... 81 20T ÀI LIỆU THAM KHẢO20T .................................................................................... 83 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GUT: Lý thuyết thống nhất lớn ( the Grand Unification Theories) SQUID: máy dò cảm ứng siêu dẫn (Superconducting Quantum Interference Device) NTD: máy dò dấu vết hạt nhân (Nuclear Track Detector) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 20THình 1.1: Mô phỏng hai cực của nam châm bị tách ra thành hai đơn cực từ20T ........Error! Bookmark not defined. 20THình 1.2: Đường sức điện trường của một lưỡng cực điện; đường sức từ trường của một thanh nam châm20T ............................................... Error! Bookmark not defined. 20THình 1.3: Từ trường do cuộn dây solenoid sinh ra20T .... Error! Bookmark not defined. 20THình 1.4: Hạt điện tích trong từ trường của một đơn cực từ20TError! Bookmark not defined. 20THình 1.5: Chỉ số chạy của các hằng số nối trong lý thuyết thống nhất20T ................Error! Bookmark not defined. 20THình 1.6: Cấu trúc của một đơn cực từ20T .................... Error! Bookmark not defined. 20THình 1.7: Tương tác đơn cực muon cao và tương tác phản đơn cực.20T ...................Error! Bookmark not defined. 20THình 1.8: Sự hủy diệt 𝑒+𝑒− sinh ra Z, Z → 3γ gây ra đơn cực20TError! Bookmark not defined. 20THình 1.10: Sơ đồ máy dò siêu dẫn20T ........................... Error! Bookmark not defined. 20THình 1.11: Dòng do đơn cực từ sinh ra và dòng do lưỡng cực từ sinh ra khi đi qua cuộn dây siêu dẫn 20T .......................................................... Error! Bookmark not defined. 20THình 1.12 : Sự mất mát năng lượng của đơn cực từ với từ tích 𝑔 = 𝑔𝐷trong chất lỏng hydrogen như một hàm theo 𝛽20T ................................ Error! Bookmark not defined. 20THình 1.13 . Năng lượng mất mát của các đơn cực và các proton trong không khí20T Error! Bookmark not defined. 20THình 1.14: Sự phá vỡ các liên kết cao phân tử khi hạt tích bay qua20TError! Bookmark not defined. 20THình 1.15: Nguyên tắc ăn mòn của các NTD20T ........... Error! Bookmark not defined. 20THình 1.16 . So sánh thiệt hại của hạt 𝛽 rất thấp và 𝛽 cao trong NTD20T ..................Error! Bookmark not defined. 20THình 1.17 . Ảnh quét hiển vi điện tử các etch-pit tạo bởi các ions Fe 26 keV/u với 𝛽 = 0.00720T ............................................................. Error! Bookmark not defined. 20THình 2.1: Máy dò Macro tại phòng thí nghiệm Gran Sasso20TError! Bookmark not defined. 20THình 2.2: Các giới hạn thông lượng ở MACRO theo β đối với các đơn cực từ GUT20T .............................................................................. Error! Bookmark not defined. 20THình 2.3: Minh họa xúc tác đơn cực của phân rã proton và các giới hạn trên của thông lượng đơn cực từ tạo ra phân rã proton tại MACRO20T . Error! Bookmark not defined. 20THình 2.4: Các giới hạn trên của thông lượng đơn cực từ trung cấp với khối lượng 𝑚𝑀 = 1010𝐺𝑒𝑉 theo 𝛽 và các giới hạn trên của thông lượng đơn cực từ trung cấp từ thí nghiệm SLIM20T .................................................... Error! Bookmark not defined. 20THình 2.5: Sự kiện Valentine đơn cực từ20T ................... Error! Bookmark not defined. 20THình 2.6: Cấu hình của Dy2Ti2O7 các nguyên tử oxygen20TError! Bookmark not defined. Hình 2.7: Mạng pyrochlore của các moment từ spin trong tinh thể DyR2RTiR2ROR7 R.54 Hình 2.8: Vị trí các hydroden trong tinh thể băng của nước và tứ diện từ trong pyrochlore .55 20THình 2.9: Tứ diện trong mang pyrochlore với mô hình quả tạ của các moment từ spin20T .............................................................................. Error! Bookmark not defined. 20THình 2.10: Mô phỏng quá trình kích thích một spin quay đảo tạo ra các giả đơn cực từ trong mạng lưới drychlore.20T ...................................... Error! Bookmark not defined. 20THình 2.11: Các đơn cực và các dây Dirac kết nối trong băng spin nhân tạo20T ........Error! Bookmark not defined. 20THình 2.12: Nhận dạng các đơn cực trong quá trình đảo ngược sự từ hóa20T ............Error! Bookmark not defined. 20THình 2.13: Sự tạo ra và tách các cặp đơn cực - phản đơn cực và các dây Dirac20T ...Error! Bookmark not defined. 20THình 3.1: Quá trình Drell-Yan tạo ra một cặp muon và cặp đơn cực-phản đơn cực 20T .............................................................................. Error! Bookmark not defined. 20THình 3.2 . Các mặt cắt đơn cực tạo ra bởi cơ chế Drell-Yan20T1 đối với các va chạm pp, AuAu và PbPb phù hợp với năng lượng RHIC và LHC21TError! Bookmark not defined. 20THình 3.3 . Tính toán các mặt cắt tạo bởi cơ chế Drell-Yan đối với va chạm AuAu và pp tại RHIC20T ................................................................ Error! Bookmark not defined. 20THình 3.4 Tính toán các mặt cắt tạo ra bởi cơ chế Drell-Yan đối với va chạm pp và chì chì tại LHC20T ............................................................ Error! Bookmark not defined. 20THình 3.5 Các giới hạn mặt cắt đơn cực Dirac với khối lượng thu được từ các thí nghiệm tìm kiếm trong máy gia tốc với mặt cắt dự kiến tại RHIC20TError! Bookmark not defined. 20THình 3.6 Các giới hạn mặt cắt đơn cực Dirac với khối lượng thu được từ các thí nghiệm tìm kiếm trong máy gia tốc với mặt cắt dự kiến tại LHC20TError! Bookmark not defined. 20THình 3.7: Tập hợp các tấm sắt từ tại vùng va chạm I320TError! Bookmark not defined. 20THình 3.8: Hệ thống dò đơn cực20T ................................ Error! Bookmark not defined. 20THình 3.9: Dãi nhôm20T ................................................ Error! Bookmark not defined. 20THình 3.10: Sơ đồ thể hiện nguyên tắc của phương pháp siêu dẫn20TError! Bookmark not defined. 20THình 3.11: Các dòng liên tục được đo sau khi đi qua máy dò từ, đồ thị một số mẫu lấy từ hai dãi từ ống dẫn trung tâm được cắt ra thành nhiều phần ngắn20TError! Bookmark not defined. 20THình 3.12: Mô hình thực nghiệm ở CERN ISR20T ........ Error! Bookmark not defined. 20THình 3.13: Dấu vết để lại trên tấm bảng nitơ.20T ........... Error! Bookmark not defined. 20THình 3.14: Sơ đồ thí nghiệm CERN ISR.20T ................. Error! Bookmark not defined. 20THình 3.15: Thí nghiệm LHCb với máy dò MOEDAL tại máy gia tốc CERN LHC20T .............................................................................. Error! Bookmark not defined. 20THình 3.16: Sơ đồ bố trí mày dò MoDAL xung quanh vùng va chạm20T ..................Error! Bookmark not defined. 20THình 3.17: Cấu tạo của các tấm NTD trong máy dò MoDAL20TError! Bookmark not defined. 20THình 3.18: Mặt cắt máy dò đơn cực điều lạnh20T Error! Bookmark not defined. DANH MỤC CÁC BẢNG THỐNG KÊ 20TBảng 1.1: Bảng thống kê khối lượng đơn cực từ trong các mô hình lý thuyết khác nhau20T .............................................................................. Error! Bookmark not defined. 20TBảng 2.1: Thống kê các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ trong vật chất20T ..............Error! Bookmark not defined. 20TBảng 2.2: Thống kê tất cả các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ trong bức xạ vũ trụ20T .............................................................................. Error! Bookmark not defined. 20TBảng 3.1: Thống kê các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ với máy gia tốc.20T.......Error! Bookmark not defined. LỜI MỞ ĐẦU Kiến thức thông thường về điện từ học cho chúng ta biết một nam châm bao giờ cũng có một cực bắc và một cực nam, điện tích sinh ra điện trường còn từ trường là do điện tích chuyển động sinh ra. Tuy nhiên nếu xét trên phương diện đối xứng điện từ thì tại sao lại không tồn tại các hạt từ tích là nguồn của từ trường tương ứng với điện tích là nguồn của điện trường và tại sao lại chỉ tồn tại những hạt điện tích hoặc dương hoặc âm mà không tồn tại những hạt từ tích hoặc bắc hoặc nam? Đơn cực từ được đưa ra như những hạt giả thuyết trong vật chất. Sự tồn tại của từ tích hay đơn cực từ mang một ý nghĩa rất lớn trong khoa học. Sự tồn tại này không những không vi phạm bất kỳ định luật vật lý nào mà còn làm cho hệ phương trình Maxwell đối xứng. Năm 1931 Paul Dirac đã đưa ra lý thuyết lượng tử về đơn cực từ và giải quyết được bài toán sự lượng tử hóa của điện tích. Một vài lý thuyết quan trọng cũng đã được xây dựng dựa trên niềm tin về sự tồn tại của đơn cực từ như lý thuyết thống nhất lớn, thuyết dây, thuyết Mvà sẽ là một bước tiến lớn trong khoa học nếu chứng minh được sự tồn tại đó. Nếu thành công thì các sách vật lý từ cấp đại học đến trung học đều phải sửa lại. Việc khám phá ra đơn cực từ điện tử sẽ mở ra một tương lai hoàn toàn mới cho ngành vật liệu học và công nghệ nếu các nhà khoa học có thể tạo ra một số lượng lớn. Các đơn cực từ có thể làm cho vật liệu đủ mạnh để trụ vững trong một vụ nổ hạt nhân và còn có thể cho phép bay bằng từ. Với những ý nghĩa nêu trên, việc truy tiềm những bằng chứng thật sự về sự tồn tại của đơn cực từ đã trở thành một vấn đề thời sự. Từ sau bài báo của Dirac xuất bản năm 1931 cho đến nay việc tìm kiếm đơn cực từ đã trở nên rất sôi động nhưng kết quả vẫn là số không, người ta tìm kiếm các đơn cực từ với các phòng thí nghiệm trên mặt đất, dưới lòng đất, trên các vệ tinh, trong các lớp đất đá, thiên thạch, đá mặt trăng, nước biển và trong tất cả các máy gia tốc ở tất cả các vùng năng lượng mới, đặc biệt với máy gia tốc LHC vừa mới đưa vào hoạt động vào năm 2009 với mức năng lượng chưa từng có hứa hẹn sẽ có nhiều khám mới trong thí nghiệm MoDAL do nhóm nghiên cứu trường đại học Alberta dự kiến đưa vào thực hiện vào cuối năm 2011. Vào năm 2009 những chuẩn hạt đơn cực từ đã được phát hiện trong tinh thể băng spin và vào tháng 10 năm 2010 các nhà khoa học đã công bố ảnh chụp các dây Dirac trong băng spin. Tuy đây chỉ là những giả đơn cực nhưng có thể là kim chỉ đường để phát hiện ra các đơn cực từ thực thụ. Đơn cực từ đã trở thành một đề tài hấp dẫn của nhiều nhóm nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm trên khắp thế giới bởi tính thời sự nó. Tuy nhiên ở Việt Nam chỉ có một số ít các nhóm nghiên cứu về đề tài này, việc nghiên cứu chủ yếu là về lý thuyết và vẫn chưa có một tài liệu nào khái quát hóa các kiến thức của đơn cực từ đặc biệt là về thực nghiệm tìm kiếm. Bài luận văn của tôi với mục đích hệ thống hóa các kiến thức cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm của đơn cực từ một cách đơn giản, dễ hiểu và lý thú để phục vụ cho đối tượng sinh viên và học sinh muốn tìm hiểu về đề tài này. Đơn cực từ được nghiên cứu trong nhiều không gian nhiều chiều khác nhau nhưng trong phạm vi của một luận văn tốt nghiệp tôi chỉ chọn tìm hiểu về đơn cực từ trong không gian ba chiều. Phương pháp được sử dụng trong bài luận văn là tổng hợp và phân tích tài liệu, đầu tiên tôi thu thập tất cả các tài liệu liên quan đến đơn cực từ sau đó chỉ chọn sử dụng các tài liệu về đơn cực từ trong không gian ba chiều, chủ yếu tập trung vào các bài báo của Dirac, các báo cáo của các phòng thí nghiệm về đơn cực từ và các tài liệu mang tính tổng quát về một số khía cạnh khác nhau của đơn cực từ, sau khi đọc và phân tích tôi tìm thêm một số tài liệu liên quan. Bài luận văn của tôi thể hiện các nội dung về sự hình thành của lý thuyết đơn cực từ và các tính chất của đơn cực từ, các động lực để tìm kiếm đơn cực từ và những kỹ thuật để tìm kiếm đơn cực từ, hệ thống, phân loại và phân tích các thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ. Bài luận văn của tôi được chia thành ba chương chính không kể phần mở đầu và kết luận. Chương 1: “ lý thuyết đơn cực từ” tôi trình bày ngắn gọn tất cả các vấn đề cơ bản của đơn cưc từ bao gồm lịch sử đơn cực từ, lý luận của Dirac về sự tồn tại của đơn cực từ, những động lực thúc đẩy việc tìm kiếm đơn cực từ bao gồm sự lượng tử hóa của điện tích, hệ phương trình Maxwell đối xứng và sự hiện diện của đơn cực từ trong các lý thuyết khác nhưng ở đây tôi chỉ tập trung vào một lý thuyết duy nhất là lý thuyết thống nhất lớn. Trong chương này tôi còn trình bày các tính chất của đơn cực từ, từ những tính chất này người ta đã xây dựng các kỹ thuật dò tìm khác nhau. Giúp bạn đọc cái nhìn tổng quan về đơn cực từ, tầm quan trọng của việc tìm kiếm đơn cực từ và hiểu được các bố trí thí nghiệm tìm kiếm đơn cực từ được trình bày ở hai chương tiếp theo. Việc tìm kiếm đơn cực từ được chia thành 3 phần: trong chương 2 tôi trình bày phần thứ nhất là tìm kiếm các đơn cực từ trong tự nhiên hình thành trong giai đoạn ban đầu của vũ trụ theo lý thuyết thống nhất lớn (GUT) gọi là đơn cực từ GUT và phần thứ hai là tìm kiếm một dạng đơn cực từ trong môi trường vật chất đông đặc. Trong chương 3 tôi trình bày phần thứ ba là tìm kiếm các đơn cực từ sinh ra trong máy gia tốc. Trong hai chương này tôi không trình bày cụ thể tất cả các thí nghiệm mà chỉ trình mô hình tổng quát sau đó phân tích một vài thí dụ để người đọc hiểu rõ hơn về cơ chế của thí nghiệm. Chương 1: Lý thuyết đơn cực từ 1.1 Lịch sử đơn cực từ Năm 1931 Paul Dirac đưa ra giả thiết rằng thế giới không chỉ có điện tích, mà còn có cả “từ tích”. Từ tích, hay còn gọi là đơn cực từ, là nguồn của từ trường. Bình thường một nam châm bao giờ cũng có cực bắc và cực nam.Ta cứ tưởng tượng có thể tách hai cực của nam châm ra khỏi nhau, thì hai phần đó là hai đơn cực từ. Đơn cực từ chỉ mang một cực, hoặc là bắc, hoặc là nam, cũng như điện tích có thể dương, có thể âm. Hình 1.1: Mô phỏng hai cực của nam châm bị tách ra thành hai đơn cực từ Cho đến tận ngày nay đơn cực từ vẫn là một trong những vấn đề cơ bản gây nhiều tranh cãi và chưa được giải quyết trong vật lý. Vấn đề này có một lịch sử rất dài. Từ thế kỷ thứ VII TCN loài người đã biết đến các hiện tượng điện từ, từ thế kỷ thứ VIII đã biết đến nam châm vĩnh cữu. Vào năm 1269 Petrus Peregrinus đã quy ước các cực của nam châm gồm có cực bắc và cực nam. Ở thế kỷ XVII khi nghiên cứu về các hiện tượng điện và từ người ta xem đây là hai lĩnh vực khác nhau và không liên quan gì đến nhau. Đến thế kỷ XVIII các nhà khoa học đều đồng ý với nhau là có chất điện và chất từ. Đến khi Oersted phát hiện ra sự tương tác của dòng điện lên kim nam châm thì điện và từ được xem là hai lĩnh vưc có liên hệ chặt chẽ với nhau. Khi so sánh các hiện tượng trong hai lĩnh vực này ta sẽ nhận thấy những nét đối xứng tương đồng. Như ta đã biết trong tự nhiên tồn tại hai loại điện tích có những vật chỉ mang điện tích dương, có