
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Tìm hiểu quá trình hủy cặp electron thành hai photon
lượt xem 5
download

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, khóa luận gồm hai nội dung chính sau: Chương 1: Cơ sở của lý thuyết tán xạ, Chương 2: Quá trình hủy cặp electron thành hai photon. Mời các bạn cùng tham khảo.
Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!
Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Tìm hiểu quá trình hủy cặp electron thành hai photon
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ THÁI TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH HỦY CẶP ELECTRON THÀNH HAI PHOTON KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2017
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ THÁI TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH HỦY CẶP ELECTRON THÀNH HAI PHOTON Chuyên ngành:Vật lý lý thuyết KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Huy Thảo HÀ NỘI, 2017
- LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Nguyễn Huy Thảo, người đã chỉ bảo tận tình, trực tiếp giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thành bản khóa luận này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô trong khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện, giúp đỡ và trực tiếp đóng góp, trao đổi những ý kiến khoa học quý báu để tôi có thể hoàn thành khóa luận. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Thái
- LỜI CAM ĐOAN Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Huy Thảo và sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành bản khóa luận này. Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu khoa học do tôi thực hiện, không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các thông tin trích dẫn trong khóa luận đều đã được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Thái
- Mục lục MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích chọn đề tài 2 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2 5 Phương pháp nghiên cứu 2 6 Cấu trúc khóa luận 3 NỘI DUNG 4 Chương 1: Cơ sở của lý thuyết tán xạ 4 1.1 Cách xây dựng phần đỉnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Tương tác không chứa đạo hàm . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Tương tác chứa đạo hàm . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Quy tắc Feynman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.1 Kí hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Các ngoại tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3 Hàm truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
- 1.2.4 Các thừa số đỉnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3 Tiết diện tán xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.1 Các biến Mandelstam . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.2 Tiết diện tán xạ vi phân cho hai hạt . . . . . . . . . 19 1.3.3 Trong hệ khối tâm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.4 Trong hệ phòng thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . 25 Chương 2: Quá trình hủy electron thành hai photon 28 2.1 Biên độ tán xạ kênh t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2 Biên độ tán xạ kênh u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3 Tiết diện tán xạ toàn phần . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
- MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Vật lý hạt ngày nay đã trở thành một trong những mũi nhọn hàng đầu của Vật lý hiện đại; là ngành khoa học nối những vật thể siêu nhỏ với thế giới vĩ mô. Một trong những mục tiêu của Vật lý hạt là tìm hiểu, phân loại, sắp xếp các thành phần sơ cấp của vật chất và những định luật cơ bản chi phối tương tác giữa chúng. Lĩnh vực này còn được gọi là Vật lý năng lượng cao bởi vì có rất nhiều hạt cơ bản không xuất hiện ở điều kiện môi trường tự nhiên mà chỉ được tạo ra trong các vụ va chạm giữa các hạt và máy gia tốc năng lượng cao. Khoa học luôn đặt nhiệm vụ cho mình là phải tìm hiểu thế giới vật chất được hình thành từ thứ gì và cái gì gắn kết chúng với nhau.Trong quá trình đi tìm lời giải đáp, cấu trúc của vật chất ngày càng được hiểu rõ hơn thông qua mô hình chuẩn. Theo mô hình này, vũ trụ cấu trúc từ 6 hạt quark và 6 hạt nhẹ (lepton), chia đều thành 3 nhóm, chúng kết nối với nhau nhờ 4 tương tác cơ bản: tương tác mạnh, tương tác yếu, tương tác hấp dẫn và tương tác điện từ. Trong hơn 30 năm qua kể từ khi mô hình chuẩn ra đời đã thu được rất nhiều thành công nổi bật bao gồm những tiên đoán và cả các kết luận mới. Một loạt phép đo các thông số điện yếu được tiến hành trên các máy đo gia tốc lớn LHC với độ chính xác cao đã trở thành động lực to lớn cho 1
- ngành Vật lý hạt, bởi khoa học tin rằng có thể thu được một số nhân tố lý giải cách thức hình thành vũ trụ. Việc tìm hiểu quá trình hình thành hay tán xạ của các hạt cơ bản sẽ góp phần mở rộng hiểu biết, bước đầu tìm hiểu một vấn đề khoa học. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài: “Tìm hiểu quá trình hủy cặp electron thành hai photon” cho khóa luận tốt nghiệp của mình. 2 Mục đích chọn đề tài - Tìm hiểu quá trình hủy cặp electron thành hai photon. 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Tán xạ trong QED 4 Nhiệm vụ nghiên cứu - Đưa ra cơ sở của lý thuyết tán xạ. - Tìm hiểu quá trình hủy cặp electron thành hai photon. 5 Phương pháp nghiên cứu - Đọc, tra cứu tài liệu. - Phương pháp vật lý lý thuyết và vật lý toán. 2
- 6 Cấu trúc khóa luận Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, khóa luận gồm hai nội dung chính sau: Chương 1: Cơ sở của lý thuyết tán xạ 1.1. Cách xây dựng phần đỉnh 1.2. Quy tắc Feynman 1.3. Tiết diện tán xạ Chương 2: Quá trình hủy cặp electron thành hai photon 2.1. Biên độ tán xạ kênh u 2.2. Biên độ tán xạ kênh t 2.3. Tiết diện tán xạ toàn phần 3
- NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ CỦA LÝ THUYẾT TÁN XẠ 1.1 Cách xây dựng phần đỉnh Lagrangian của hệ gồm hai phần: Lagrangian tự do chứa các số hạng bậc hai theo toán tử trường và Lagrangian tương tác chứa các số hạng từ bậc ba trở lên theo toán tử trường. Tuy nhiên, điều kiện tái chuẩn hóa trong không thời gian bốn chiều không cho phép các số hạng có bậc lớn hơn bậc bốn theo toán tử trường. Do đó sử dụng phương pháp "bóc vỏ" sẽ giúp ta thu được phần đỉnh từ Lagrangian tương tác. 1.1.1 Tương tác không chứa đạo hàm Trong điện động lực học lượng tử Lagrangian tương tác: LQED int = eψ(x)γµ ψ(x)Aµ (x) = eψ(x)η (γν )λη ψλ (x)Aν (x) (1.1) Vì Lagrangian chứa ba toán tử trường nên ta phải bóc vỏ (lấy đạo hàm) ba lần theo các toán tử trường. Với mỗi lần lấy đạo hàm ta sẽ có thêm một đường tương ứng trong phần đỉnh. Cụ thể, Để có đường fermion ra với chỉ số α α 4
- ta lấy đạo hàm ∂LQED int η λ ν α = eδα (γν )η ψλ (x)A (x) ∂ψ = e(γν )λη ψλ (x)Aν (x) (1.2) Để có thêm đường fermion vào với chỉ số β β α ta lấy đạo hàm ∂ 2 LQED int β λ ν α = eδλ (γν )α A (x) ∂ψβ ∂ψ = e(γν )λα Aν (x) (1.3) Để có thêm đường photon với chỉ số µ µ β α ta lấy đạo hàm ∂ 3 LQED int β ν µ α = e(γν )α δµ ∂A ∂ψβ ∂ψ = e(γν )λα (1.4) Như vậy, tương tác photon-spinor (ψ) -spinor (ψ) tương ứng với yếu tố sau của giản đồ: β µ ie(γµ )βα α α 5
- R Trong đó thừa số i được đưa thêm vào do ma trận tán xạ S ∼ exp[i Lint d4 x] 1.1.2 Tương tác chứa đạo hàm Ta biết rằng, đạo hàm ∂µ ứng với −ikµ trong không gian xung lượng. Vì vậy trong tương tác chứa đạo hàm ta chuyển sang không gian xung lượng. Khi đó biến đổi Fourier của các toán tử trường: Z ϕ(x) = Nϕ d4 ke−ikx ϕ(k) Z ϕ (x) = Nϕ d4 keikx ϕ∗ (k) ∗ Z Wµ (x) = Nw d4 ke−ikx Wµ− (k) − Qui ước: Đối với ϕ(x), exponent với (−ikx) và xung lượng đi vào. ϕ∗ (x), exponent với (ikx) và xung lượng đi ra. Ta xét trường hợp tương tác của trường vô hướng phức có điện tích e với photon có tác dụng như sau: Z S SQED = d4 xLSQED int (x) Z = ie d4 x[∂µ ϕ∗ (x)ϕ(x) − ϕ∗ (x)∂µ ϕ(x)]Aµ (x) (1.5) 6
- Chuyển sang không gian xung lượng ta có: Z SQED Sint (x) = ieNϕ2 NA d4 xd4 p1 d4 p2 d4 qe−ix(p1 +q+p2 ) .[ip2µ ϕ∗ (p2 )ϕ(p1 ) + ip1 ϕ∗ (p2 )ϕ(p1 )]Aµ (q) Z = Nϕ NA d4 xd4 p1 d4 p2 d4 qLSQED 2 int (p1 , p2 , q) (1.6) Với: LSQED int (p1 , p2 , q) = −e(p1 + p2 )µ [ϕ∗ (p2 )ϕ(p1 )]Aµ (q)δ 4 (p1 + q − p2 ) (1.7) Exponent trong (1.7) cho ta hàm δ(p1 + q − p2 ) tương ứng với sự bảo toàn xung lượng tại mỗi đỉnh. Đây là hệ quả của tương tác định xứ - tương tác tại một điểm không - thời gian. Để có đường vô hướng với xung lượng p0 (p0 6= p2 ) đi ra p0 ta lấy đạo hàm ∂LSQED (p1 , p2 , k) int ∗ 0 = −e(p1 + p2 )µ δ 4 (p2 − p0 )ϕ(p1 )Aµ δ 4 (p1 + q − p2 ) ∂ϕ (p ) = −e(p1 + p0 )µ δ 4 (p1 + q − p0 )ϕ(p1 )Aµ (q) (1.8) Để có đường vô hướng với xung lượng p đi vào p p0 ta lấy đạo hàm 7
- ∂ 2 LSQED (p1 , p2 , k) int = −e(p1 + p0 )µ δ 4 (p1 − p)Aµ (q)δ 4 (p1 + q − p0 ) ∂ϕ(q)∂ϕ∗ (p0 ) = −e(p + p0 )ν Aν (q)δ 4 (p + q − p0 ) (1.9) Để có đường photon với xung lượng k đi vào hoặc đi ra k µ p p0 ta lấy đạo hàm theo Aµ (k) ∂ 3 LSQED (p1 , p2 , k) int ∗ 0 = −e(p + p0 )ν g µν δ 4 (k − q)δ 4 (p + q − p0 ) ∂Aµ (k)∂ϕ(p)∂ϕ (p ) = −e(p + p0 )µ δ 4 (p + k − p0 ) (1.10) Như vậy, tương tác photon-vô hướng-vô hướng ứng với phần đỉnh: p µ −ie(p + p0 )µ p0 trong đó ta hiểu hàm delta của xung lượng 4 chiều ở mỗi đỉnh; i xuất hiện từ biểu thức S của ma trận. 8
- Do lí thuyết định xứ ta có sự bảo toàn năng xung lượng tại mỗi đỉnh: Z S QED = d4 xLQED int (x) d4 x Z =e 4 ψ(p)e−ipx γµ eiqx ψ(q)Aµ eikx (2π) d4 x ix(q+k−p) Z =e e ψ(p)γµ ψ(q)Aµ (k) (2π)4 = eδ 4 (q + k − p)ψ(p)γµ ψ(q)Aµ (k) (1.11) 1.2 Quy tắc Feynman Qui tắc Feynman cho điện động lực học lượng tử (spinor và vô hướng) được xây dựng trên Langrangian toàn phần sau: 1 1 LtQED = − F µν (x)Fµν (x) − (∂µ Aµ )2 + iψ(x)γµ ∂ µ ψ(x) − M ψ(x)ψ(x) 4 2ξ + ∂µ ϕ∗ (x)∂ µ ϕ(x) − m2 ϕ∗ (x)ϕ(x) + qψ ψ(x)γµ Aµ (x)ψ(x) + iqϕ [∂µ ϕ∗ (x)ϕ(x) − ϕ∗ (x)∂µ ϕ(x)]Aµ (x) + qϕ2 Aµ (x)Aµ (x)ϕ∗ (x)ϕ(x) (1.12) trong đó qψ và qϕ là điện tích tương ứng của trường Fermion ψ và của trường vô hướng mang điện ϕ. Vì tương tác là định xứ nên tại mỗi đỉnh ta có hàm delta cho các xung lượng 4 chiều. Có 2 loại đường mô tả hạt thật (quan sát được) ở trạng thái đầu hoặc cuối. Các đường này chỉ nối một đầu với giản đồ và được gọi là đường ngoài. Các đường trong mô tả hạt ảo nối hai điểm của giản đồ. 9
- 1.2.1 Kí hiệu - Gán cho các xung lượng bốn chiều đi vào và đi ra là p1 , p2 , . . . , pn với các spin tương ứng là s1 , s2 , . . . , sn . - Các nội xung lượng bốn chiều là q1 , q2 , . . . , qn . - Đặt các dấu mũi tên cho các tuyến như sau: + Mũi tên ở các ngoại tuyến Fermion chỉ ra; nó là một electron hay positron. + Mũi tên ở các nội tuyến Fermion được gán sao cho hướng dòng qua sơ đồ được bảo toàn (tức là mọi đỉnh phải có một mũi tên đi vào và một mũi tên đi ra). + Mũi tên ở các ngoại tuyến photon hướng ra phía trước, với các nội tuyến photon thì sự lựa chọn là tùy ý. p1 , s1 p4 , s4 p3 , s3 p2 , s2 Hình 1.1: Sơ đồ Điện động lực học lượng tử điển hình với các ngoại tuyến. 1.2.2 Các ngoại tuyến Các ngoại tuyến đóng góp như sau: • Trường vô hướng (spin=0) : 1 cho các hạt ở trạng thái đầu và cuối. 10
- • Trường spin 1/2 + Hạt ở trạng thái đầu s, α uα (p, s) p + Phản hạt ở trạng thái đầu s, α v α (p, s) p + Hạt ở trạng thái cuối s, α uα (p, s) p + Phản hạt ở trạng thái cuối s, α vα (p, s) p • Trường ngoài Aext (k) k • Trường vector (spin 1) +Trường vector mang điện ở trạng thái đầu µ (k, λ) µ, λ~k +Trường vector mang điện ở trạng thái cuối ∗µ (k, λ) µ, λ~k 11
- 1.2.3 Hàm truyền Mỗi nội tuyến đóng góp một thừa số như sau: • Trường spin 0 i k 2 −m2 +i k • Trường spin 1/2 i α 6 −m+i β p α p β • Phản hạt 1/2 i α −6p−m+i β α p β • Trường chuẩn spin 1 −i kµ kν k 2 −M 2 +i gµν − (1 − ξ) k2 −ξM 2 µ k ν • Trường vector khối lượng m −i Pµ Pν p2 −m2 +i gµν − m2 µ p ν 1.2.4 Các thừa số đỉnh Mỗi đỉnh đóng góp một thừa số như sau: β µ −iqψ (γµ )βα α 12
- p k µ −iqψ (p + p0 )µ p0 p k0 ν i2qψ2 g µν µ p 0 k Các qui tắc: - Sự bảo toàn năng xung lượng + Với mỗi đỉnh ta viết một hàm delta dưới dạng (2π)4 δ 4 (k1 + k2 + k3 ). + Trong đó k1 , k2 , k3 là xung lượng bốn chiều đi vào các đỉnh. Nếu các mũi tên hướng ra ngoài thì k sẽ là xung lượng bốn chiều của tuyến đó nhưng mang dấu trừ, ngoại trừ positron bên ngoài. Thừa số này buộc phải tuân theo sự bảo toàn của năng lượng và xung lượng tại đỉnh. R d4 q - Với mỗi nội tuyến, ta phải lấy tích phân theo xung lượng . (2π)4 Nội tuyến xung lượng không bị giới hạn bởi định luật bảo toàn năng xung lượng có nghĩa là nó có thể tiến tới vô cùng. - Mỗi vòng Fermion (kể cả FP) khép kín nhân với (−1), trường hợp có l vòng ta nhân với (−1)l . - Chia cho hệ số đối xứng S: Mỗi vòng khép kín chứa n boson 13
- 1 giống nhau ta có thừa số . n! 1.3 Tiết diện tán xạ 1.3.1 Các biến Mandelstam Ta áp dụng cho quá trình tán xạ của hai hạt với hai hạt, mọi công thức sẽ trở nên đơn giản hơn nếu ta biểu diễn xung lượng của các hạt theo một tập hợp các biến được gọi là biến Mandelstam. Các biến Mandelstam được định nghĩa như sau: s = (p1 + p2 )2 = (p3 + p4 )2 (1.13) t = (p1 − p3 )2 = (p2 − p4 )2 (1.14) u = (p1 − p4 )2 = (p2 − p3 )2 (1.15) Ở đây: p1 , p2 là xung lượng 4 chiều của hạt đi vào. p3 , p4 là xung lượng 4 chiều của hạt đi ra. Do đó, s được hiểu là bình phương của năng khối lượng trung tâm (bất biến khối lượng). t được hiểu là bình phương moment xung lượng chuyển đổi. Trong giản đồ Feynman đối với tán xạ 2 − 2, s, t, u cũng được sử dụng dưới dạng kênh s, kênh t, kênh u. 14

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
Đề cương Khóa luận Tốt nghiệp Đại học: Hiệu quả sử dụng vốn tại Công ty Xuất Nhập Khẩu An Giang Angimex
71 p |
713 |
71
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Lý thuyết kiến tạo và ứng dụng dạy học chương phương trình hệ phương trình – Đại số 10
98 p |
6 |
2
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học ngành Kế toán: Thực trạng và một số giải pháp hoàn thiện kế toán tiền lương và các khoản trích theo lương tại Công ty TNHH Dịch vụ Thương mại Minh Trang
120 p |
8 |
2
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Biện pháp giáo dục kĩ năng phòng chống một số bệnh truyền nhiễm thường gặp thông qua môn Khoa học lớp 5
95 p |
5 |
2
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Yếu tố thực tiễn trong chương trình Giáo dục phổ thông môn Toán ở Việt Nam và xây dựng tình huống tăng cường yếu tố thực tiễn trong dạy học Đại số - Giải Tích ở trường THPT
78 p |
5 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Vận dụng phương pháp học theo góc vào dạy học đại lượng và đo đại lượng trong môn Toán lớp 3
118 p |
6 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Điều tra hứng thú học tập của sinh viên sư phạm vật lý trường đại học Quảng Nam trong các học phần vật lý đại cương
80 p |
5 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Dạy học đại lượng và đo đại lượng cho học sinh lớp 4 theo định hướng tiếp cận năng lực thực hiện
108 p |
4 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Biện pháp nâng cao chất lượng dạy học Đại lượng và đo Đại lượng trong môn Toán lớp 5
107 p |
5 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Vận dụng phương pháp thí nghiệm trong dạy học môn Khoa học lớp 4
70 p |
5 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Thực trạng sinh viên sử dụng Trung tâm học liệu trường Đại học Quảng Nam
75 p |
4 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học ngành Kế toán: Thực trạng và giải pháp hoàn thiện kế toán bán hàng và xác định kết quả bán hàng tại Công ty TNHH Tân Hoàng Hải NB
130 p |
6 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học ngành Sư phạm: Ứng dụng của phương pháp quy nạp toán học trong giải toán ở trường trung học phổ thông
82 p |
6 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học ngành Kế toán: Thực trạng và một số giải pháp hoàn thiện kế toán tiền lương và các khoản trích theo lương tại Công ty TNHH May Áo cưới thời trang chuyên nghiệp
120 p |
6 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học ngành Kế toán: Thực trạng và giải pháp hoàn thiện kế toán tiền lương và các khoản trích theo lương tại Công ty TNHH Hải Nam
140 p |
7 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học ngành Giáo dục mầm non: Thực trạng giáo dục dinh dưỡng cho trẻ 5-6 tuổi thông qua hoạt động khám phá khoa học về môi trường xung quanh
94 p |
6 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Xây dựng hệ thống bài tập sử dụng trong kiểm tra, đánh giá kết quả học tập môn Khoa học lớp 4
156 p |
6 |
1
-
Khóa luận tốt nghiệp đại học: Vận dụng phương pháp học theo góc vào dạy học môn Khoa học lớp 5
103 p |
5 |
0


Chịu trách nhiệm nội dung:
Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA
LIÊN HỆ
Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM
Hotline: 093 303 0098
Email: support@tailieu.vn
