Ký hiệu: Hạt bottom được ký hiệu là $b$. Phản hạt của nó là $\bar{b}$, được gọi là antibottom quark.
Khám phá
Hạt bottom được phát hiện vào năm 1977 bởi nhóm thí nghiệm E288 tại Fermilab, do Leon Lederman dẫn đầu. Việc khám phá này được thực hiện thông qua quan sát meson Upsilon ($ \U\psilon $), một hạt meson gồm một quark bottom và một antibottom quark ($ b\bar{b} $).
Tính chất
- Spin: $\frac{1}{2}$ (như tất cả các quark)
- Điện tích: $-\frac{1}{3}e$
- Số Baryon: $\frac{1}{3}$
- Isospin yếu (weak isospin): $T_3 = -\frac{1}{2}$ (cho quark bottom trái) và $0$ (cho quark bottom phải)
- Màu (color charge): đỏ, xanh lá cây, hoặc xanh lam (như tất cả các quark).
Sự phân rã
Hạt bottom không bền vững và phân rã thông qua tương tác yếu. Nó chủ yếu phân rã thành quark charm ($c$) thông qua việc phát ra một boson $W^-$. Boson $W^-$ sau đó có thể phân rã thành một lepton và phản neutrino tương ứng (ví dụ: $e^-\bar{\nu}e$, $\mu^-\bar{\nu}\mu$, $\tau^-\bar{\nu}_\tau$).
Hadron chứa hạt bottom
Hạt bottom không tồn tại ở trạng thái tự do mà luôn liên kết với các quark khác để tạo thành hadron. Một số hadron chứa hạt bottom bao gồm:
- Meson B: Chứa một quark bottom và một antiquark (như $B^+ = u\bar{b}$, $B^0 = d\bar{b}$, $B_s^0 = s\bar{b}$, $B_c^+ = c\bar{b}$). Meson B có thời gian sống tương đối dài so với các hadron chứa các quark nặng khác, điều này cho phép nghiên cứu chi tiết về sự dao động và phân rã của chúng.
- Baryon chứa bottom: Chứa ít nhất một quark bottom và hai quark khác (như $\Lambda_b^0 = udb$, $\Xi_b^0 = usb$, $\Omega_b^- = ssb$). Các baryon chứa bottom cung cấp cái nhìn sâu sắc về tương tác mạnh giữa các quark.
Ứng dụng trong nghiên cứu
Hạt bottom đóng vai trò quan trọng trong vật lý hạt, được sử dụng để nghiên cứu:
- CP violation: Sự vi phạm đối xứng CP là một hiện tượng quan trọng trong vũ trụ học, và các meson B là một hệ thống lý tưởng để nghiên cứu hiện tượng này. Việc đo lường sự khác biệt trong tỉ lệ phân rã của meson B và phản meson B cung cấp thông tin về mức độ vi phạm CP.
- Tìm kiếm vật lý mới: Nghiên cứu các tính chất của hạt bottom và các hadron chứa nó có thể giúp khám phá những hiện tượng vật lý mới vượt ra ngoài mô hình chuẩn, ví dụ như tìm kiếm các hạt siêu đối xứng.
- Kiểm tra Mô hình Chuẩn: Các phép đo chính xác các tính chất của hạt bottom và sự phân rã của nó cung cấp các kiểm tra nghiêm ngặt về Mô hình Chuẩn của vật lý hạt.
Hạt bottom (b), còn được gọi là quark bottom, là một hạt cơ bản đóng vai trò then chốt trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt. Nó thuộc thế hệ quark thứ ba, mang điện tích -$\frac{1}{3}e$ và có khối lượng đáng kể khoảng 4.18 GeV/c², khiến nó trở thành quark nặng thứ hai, chỉ sau quark top. Được phát hiện năm 1977 tại Fermilab, hạt bottom đã mở ra những hướng nghiên cứu mới về lực yếu và các hiện tượng vi phạm CP.
Một đặc điểm quan trọng của hạt bottom là nó không tồn tại độc lập mà luôn liên kết với các quark khác để tạo thành các hạt composite gọi là hadron. Hai loại hadron chứa bottom quan trọng là meson B (gồm một quark bottom và một antiquark) và baryon chứa bottom (gồm ít nhất một quark bottom và hai quark khác). Các meson B, đặc biệt, đóng vai trò then chốt trong việc nghiên cứu vi phạm CP, một hiện tượng liên quan đến sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất. Thời gian sống tương đối dài của meson B cho phép các nhà khoa học quan sát và đo lường các quá trình phân rã của chúng một cách chi tiết, cung cấp thông tin quý giá về các tham số của Mô hình Chuẩn.
Sự phân rã của hạt bottom chủ yếu diễn ra thông qua tương tác yếu, với quark bottom chuyển đổi thành quark charm (c) bằng cách phát ra một boson $W^-$. Boson W này sau đó phân rã thành một lepton và neutrino tương ứng. Nghiên cứu sự phân rã của hạt bottom cung cấp cái nhìn sâu sắc về ma trận CKM, mô tả sự trộn lẫn giữa các quark trong tương tác yếu. Ngoài ra, nghiên cứu hạt bottom cũng đóng góp vào việc tìm kiếm vật lý mới, vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn hiện tại, như tìm kiếm các hạt siêu đối xứng. Tóm lại, hạt bottom là một công cụ quan trọng để kiểm tra và mở rộng hiểu biết của chúng ta về vũ trụ ở cấp độ cơ bản nhất.
Tài liệu tham khảo:
- L. Lederman (1978). “Observation of a Dimuon Resonance at 9.5 GeV in 400-GeV Proton-Nucleus Collisions”. Physical Review Letters. 41: 10.
- M. Kobayashi and T. Maskawa (1973). “CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction”. Progress of Theoretical Physics. 49: 652.
- Particle Data Group. “Review of Particle Physics”. Progress of Theoretical and Experimental Physics.
Câu hỏi và Giải đáp
Tại sao hạt bottom lại quan trọng trong việc nghiên cứu vi phạm CP?
Trả lời: Vi phạm CP, tức là sự vi phạm của đối xứng kết hợp giữa điện tích (Charge) và parity (Parity), là một điều kiện cần thiết để giải thích sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Các meson B, chứa quark bottom, cung cấp một hệ thống lý tưởng để nghiên cứu vi phạm CP. Sự dao động và phân rã của meson B cho thấy sự khác biệt nhỏ giữa vật chất và phản vật chất, biểu hiện rõ ràng sự vi phạm CP. Các phép đo chính xác về sự vi phạm CP trong hệ meson B đã xác nhận cơ chế Kobayashi-Maskawa trong Mô hình Chuẩn.
Ma trận CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) có vai trò gì đối với hạt bottom?
Trả lời: Ma trận CKM mô tả sự trộn lẫn giữa các quark trong tương tác yếu. Nó xác định xác suất mà một quark loại xuống (down-type) như bottom sẽ phân rã thành một quark loại lên (up-type) khác. Các phần tử của ma trận CKM liên quan đến quark bottom ($V{ub}$, $V{cb}$, $V_{tb}$) ảnh hưởng đến tỷ lệ phân rã của meson B và cho phép kiểm tra tính hợp lệ của Mô hình Chuẩn.
“Sự giam hãm màu” (color confinement) ảnh hưởng như thế nào đến sự tồn tại của hạt bottom?
Trả lời: Sự giam hãm màu là một tính chất của lực mạnh, ngăn cản các quark tồn tại ở trạng thái tự do. Các quark luôn bị “giam hãm” bên trong các hadron, như meson và baryon. Hạt bottom, cũng như các quark khác, tuân theo nguyên tắc này và không bao giờ được tìm thấy riêng lẻ. Nó luôn liên kết với các quark khác thông qua lực mạnh để tạo thành các hadron chứa bottom.
Bên cạnh meson B, còn hadron nào khác chứa hạt bottom và chúng có ứng dụng gì trong nghiên cứu?
Trả lời: Ngoài meson B, còn có các baryon chứa bottom, chẳng hạn như $\Lambda_b$, $Xi_b$, và $\Omega_b$. Những baryon này chứa ít nhất một quark bottom và hai quark khác. Nghiên cứu các baryon chứa bottom cung cấp thông tin về tương tác mạnh giữa các quark và giúp kiểm tra các mô hình lý thuyết về cấu trúc hadron. Chúng cũng có thể được sử dụng để tìm kiếm vật lý mới.
Làm thế nào các nhà khoa học có thể phát hiện và nghiên cứu hạt bottom, mặc dù nó không tồn tại ở trạng thái tự do?
Trả lời: Các nhà khoa học phát hiện và nghiên cứu hạt bottom bằng cách quan sát các hadron chứa bottom được tạo ra trong các máy gia tốc hạt năng lượng cao. Khi các hạt, ví dụ như proton, va chạm với nhau ở năng lượng cao, chúng có thể tạo ra các cặp quark-antiquark, bao gồm cả $b\bar{b}$. Các quark bottom này sau đó sẽ kết hợp với các quark khác để tạo thành các hadron chứa bottom. Bằng cách nghiên cứu các tính chất và sự phân rã của các hadron này, các nhà khoa học có thể suy ra thông tin về hạt bottom. Các máy dò hạt tinh vi được sử dụng để ghi lại các sản phẩm phân rã và tái tạo lại quá trình xảy ra.
- “Bottom” hay “Beauty”?: Ban đầu, có một cuộc tranh luận nhỏ về việc nên gọi quark này là “bottom” hay “beauty”. Cả hai cái tên đều được đề xuất bởi hai nhóm nghiên cứu độc lập. Cuối cùng, “bottom” trở nên phổ biến hơn, mặc dù “beauty” vẫn được sử dụng trong một số ngữ cảnh, đặc biệt là khi nói về meson B (“B” là viết tắt của “beauty”).
- Nặng nhưng không phải nặng nhất: Mặc dù hạt bottom là quark nặng thứ hai, nó vẫn nhẹ hơn hạt top rất nhiều. Quark top nặng gấp gần 40 lần hạt bottom!
- Vai trò trong vi phạm CP: Sự vi phạm CP, một hiện tượng quan trọng giải thích tại sao vũ trụ chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất, được nghiên cứu mạnh mẽ thông qua các meson B. Các thí nghiệm như BaBar và Belle đã đóng góp đáng kể vào việc đo lường sự vi phạm CP trong hệ meson B, xác nhận dự đoán của Mô hình Chuẩn và mang lại giải Nobel Vật lý năm 2008 cho Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa.
- Ẩn mình trong Upsilon: Meson Upsilon ($U\psilon$), được tạo thành từ một quark bottom và phản quark bottom ($b\bar{b}$), là “chìa khoá” dẫn đến việc phát hiện ra hạt bottom. Khối lượng bất thường của Upsilon đã ám chỉ sự tồn tại của một loại quark mới.
- Không cô đơn: Hạt bottom không bao giờ được tìm thấy riêng lẻ mà luôn liên kết với các quark khác. Điều này là do một tính chất của lực mạnh gọi là “sự giam hãm màu” (color confinement).
- Công cụ cho vật lý mới: Các nhà vật lý đang tích cực nghiên cứu hạt bottom và các hadron chứa bottom để tìm kiếm các dấu hiệu của vật lý mới, vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn. Ví dụ, sự khác biệt nhỏ giữa các dự đoán lý thuyết và kết quả thực nghiệm trong các phân rã hiếm của meson B có thể là dấu hiệu của các hạt hoặc tương tác mới chưa được biết đến.
- Tên gọi ít lãng mạn hơn: Không giống như “charm” (quyến rũ) hay “strange” (kỳ lạ), cái tên “bottom” (đáy) nghe có vẻ ít lãng mạn hơn. Tuy nhiên, nó phản ánh vị trí của hạt bottom trong sơ đồ phân loại quark, là thành viên “đáy” của thế hệ thứ ba.