Hạt charm (Charm particle)

Khám phá ra hạt charm là một bước tiến quan trọng trong vật lý hạt, khẳng định Mô hình Chuẩn. Sự tồn tại của quark charm đã được tiên đoán trước khi quan sát được thực nghiệm, dựa trên sự cần thiết phải cân bằng số lượng lepton và quark, cũng như giải thích sự vắng mặt của một số quá trình phân rã nhất định. Việc tìm ra hạt $J/\psi$ (một dạng charmonium) năm 1974 đã xác nhận sự tồn tại của quark charm và mang lại giải Nobel Vật lý năm 1976 cho Burton Richter và Samuel C. C. Ting.

Các loại hạt charm

Hạt charm được chia thành hai loại chính:

• Meson charm: Chứa một quark charm và một phản quark (có thể là $\bar{u}$, $\bar{d}$, $\bar{s}$ hoặc $\bar{c}$). Ví dụ:
  • $D^+$: chứa $c\bar{d}$
  • $D^0$: chứa $c\bar{u}$
  • $D_s^+$: chứa $c\bar{s}$
  • $J/\psi$: chứa $c\bar{c}$ (charmonium, một trạng thái liên kết của $c$ và $\bar{c}$)
  • Các meson charm khác bao gồm $D^{}$, $D_s^{}$, $\psi(2S)$, $\chi_c$, etc. Các meson charm có thể phân rã thành các hạt nhẹ hơn thông qua tương tác yếu.
• Baryon charm: Chứa ít nhất một quark charm và các quark khác (thường là $u$, $d$ và $s$). Ví dụ:
  • $\Lambda_c^+$: chứa $cud$
  • $\Xi_c^+$: chứa $cus$
  • $\Xi_c^0$: chứa $cds$
  • $\Omega_c^0$: chứa $css$
  • Các baryon charm khác bao gồm $\Sigma_c$, $\Xi_c’$, $\Omega_c^*$, etc. Tương tự như meson charm, baryon charm cũng phân rã qua tương tác yếu.

Tính chất của hạt charm

• Khối lượng: Quark charm nặng hơn quark up và down đáng kể, dẫn đến khối lượng lớn hơn của các hạt charm so với các hadron nhẹ hơn. Ví dụ, meson $D^0$ có khối lượng khoảng 1865 MeV/$c^2$. Sự khác biệt khối lượng này là do cơ chế Higgs.
• Thời gian sống: Hạt charm có thời gian sống tương đối ngắn, thường trong khoảng $10^{-12}$ đến $10^{-13}$ giây, trước khi phân rã thành các hạt nhẹ hơn. Thời gian sống ngắn này là đặc trưng của các hạt phân rã qua tương tác yếu.
• Phân rã: Hạt charm phân rã thông qua tương tác yếu, thường liên quan đến sự biến đổi của quark charm thành quark strange ($c \to s$). Ví dụ, $D^0$ có thể phân rã thành $K^- + \pi^+$. Các quá trình phân rã này được chi phối bởi ma trận Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM).

Khám phá hạt charm

Hạt $J/\psi$ (một meson charmonium) được phát hiện đồng thời bởi hai nhóm nghiên cứu độc lập vào năm 1974, một nhóm tại SLAC do Burton Richter dẫn đầu và một nhóm tại Brookhaven National Laboratory do Samuel Ting dẫn đầu. Khám phá này, được gọi là “Cách mạng tháng Mười Một”, đã khẳng định sự tồn tại của quark charm và củng cố Mô hình Chuẩn của vật lý hạt. Việc phát hiện ra $J/\psi$ đã gây chấn động giới vật lý, bởi vì khối lượng và thời gian sống của nó lớn hơn nhiều so với dự đoán ban đầu.

Ứng dụng

Nghiên cứu về hạt charm đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu biết về tương tác mạnh và yếu. Chúng cũng được sử dụng để nghiên cứu các hiện tượng vật lý khác, chẳng hạn như sự hình thành quark-gluon plasma, một trạng thái của vật chất tồn tại ở nhiệt độ và mật độ cực cao. Nghiên cứu hạt charm cũng cung cấp thông tin về sự vi phạm CP, một hiện tượng liên quan đến sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất.

Hạt charm là một phần quan trọng của Mô hình Chuẩn, mang lại cái nhìn sâu sắc về cấu trúc cơ bản của vật chất. Việc nghiên cứu tính chất và tương tác của chúng tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động trong vật lý hạt, với nhiều câu hỏi mở vẫn đang được khám phá.

Sản xuất hạt Charm

Hạt charm được tạo ra trong các va chạm năng lượng cao, ví dụ như trong các máy gia tốc hạt. Các quá trình sản xuất chính bao gồm:

• Sản xuất cặp: Một cặp quark-phản quark charm ($c\bar{c}$) được tạo ra từ năng lượng va chạm. Ví dụ, trong va chạm electron-positron ($e^- + e^+ \to c + \bar{c}$). Quá trình này thường xảy ra ở năng lượng gần ngưỡng sản xuất cặp $c\bar{c}$.
• Phân rã của hạt nặng hơn: Hạt charm có thể được tạo ra từ sự phân rã của các hạt nặng hơn, chẳng hạn như hạt bottom ($b$). Ví dụ, meson $B$ có thể phân rã thành meson $D$ (chứa quark charm) và các hạt khác.

Số lượng tử của hạt Charm

Ngoài điện tích và độ lạ, hạt charm còn được đặc trưng bởi các số lượng tử khác:

• Hương charm (Charm): Hạt charm có hương charm C = +1, phản hạt charm có C = -1, các hạt không chứa charm có C = 0. Số lượng tử này được bảo toàn trong tương tác mạnh và điện từ, nhưng không được bảo toàn trong tương tác yếu.
• Spin: Quark charm có spin 1/2, giống như các quark khác. Spin của meson charm có thể là 0 hoặc 1, trong khi spin của baryon charm có thể là 1/2 hoặc 3/2.
• Tính chẵn lẻ (Parity): Tính chẵn lẻ của meson charm là tích của tính chẵn lẻ nội tại của quark và phản quark, nhân với $(-1)^L$, với L là mômen động lượng quỹ đạo tương đối của quark và phản quark.

Sơ đồ phân rã

Phân rã của hạt charm chủ yếu được chi phối bởi tương tác yếu, thường liên quan đến sự biến đổi của quark charm thành quark strange thông qua quá trình $c \to sW^+$. Boson $W$ sau đó có thể phân rã thành một cặp lepton-neutrino hoặc một cặp quark-phản quark. Ví dụ:

• $D^0 \to K^- + \pi^+$
• $D^+ \to K^- + \pi^+ + \pi^+$
• $\Lambda_c^+ \to p + K^- + \pi^+$

Hadron Spectroscopy với hạt Charm

Nghiên cứu phổ khối lượng và các tính chất của các meson và baryon charm cung cấp thông tin quan trọng về tương tác mạnh và lực liên kết giữa các quark. Việc khám phá ra các trạng thái charmonium mới và các baryon charm lạ (exotic charmonium and charm baryons) là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực. Những trạng thái này giúp kiểm tra các mô hình lý thuyết về QCD, lý thuyết miêu tả tương tác mạnh.

Vật lý B-meson và vai trò của Charm

Hạt charm cũng đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu vật lý B-meson (meson chứa quark bottom). Sự phân rã của B-meson thường liên quan đến sự tạo thành hạt charm, và việc nghiên cứu các quá trình này cung cấp thông tin về sự vi phạm CP (CP violation), một hiện tượng cơ bản liên quan đến sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất. Nghiên cứu sự vi phạm CP trong hệ chứa hạt charm có thể giúp giải thích sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ.

• D. Griffiths, “Introduction to Elementary Particles”, 2nd ed., Wiley-VCH, 2008.
• B.R. Martin and G. Shaw, “Particle Physics”, 4th ed., John Wiley & Sons, 2017.
• K.A. Olive et al. (Particle Data Group), Chin. Phys. C, 38, 090001 (2014) and 2015 update.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao việc khám phá ra hạt charm lại quan trọng đối với Mô hình Chuẩn?

Trả lời: Việc khám phá hạt charm khẳng định sự tồn tại của quark charm, một thành phần quan trọng của Mô hình Chuẩn. Sự tồn tại của quark charm đã được tiên đoán trước đó để giải thích một số hiện tượng quan sát được, như sự vắng mặt của một số quá trình phân rã nhất định. Khám phá này củng cố Mô hình Chuẩn và mở đường cho việc tìm kiếm các quark nặng hơn, như bottom và top.

Sự khác biệt chính giữa meson charm và baryon charm là gì?

Trả lời: Meson charm là hạt hadron gồm một quark charm ($c$) và một phản quark (như $\bar{u}$, $\bar{d}$, $\bar{s}$ hoặc $\bar{c}$). Baryon charm, mặt khác, chứa ít nhất một quark charm và hai quark khác (thường là $u$, $d$, hoặc $s$). Sự khác biệt này nằm ở thành phần quark cấu tạo nên chúng.

Quark charm phân rã chủ yếu theo cơ chế nào?

Trả lời: Quark charm phân rã chủ yếu thông qua tương tác yếu, thường bằng cách biến đổi thành quark strange ($c to s$) và một boson $W^+$. Boson $W^+$ sau đó có thể phân rã thành một cặp lepton-neutrino (như $e^+ \nu_e$) hoặc một cặp quark-phản quark (như $u\bar{d}$).

Làm thế nào để các nhà vật lý tạo ra hạt charm trong phòng thí nghiệm?

Trả lời: Hạt charm được tạo ra trong các va chạm năng lượng cao tại các máy gia tốc hạt. Ví dụ, trong va chạm electron-positron ($e^- + e^+ to c + \bar{c}$), năng lượng của va chạm có thể tạo ra một cặp quark charm và phản quark charm. Chúng cũng có thể được tạo ra từ sự phân rã của các hạt nặng hơn, chẳng hạn như hạt bottom.

Nghiên cứu hạt charm có thể giúp chúng ta tìm hiểu điều gì về vũ trụ?

Trả lời: Nghiên cứu hạt charm giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tương tác mạnh và yếu, hai trong số bốn lực cơ bản của tự nhiên. Nó cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về các giai đoạn đầu của vũ trụ, đặc biệt là sự hình thành quark-gluon plasma. Ngoài ra, việc nghiên cứu hạt charm có thể giúp chúng ta khám phá vật lý mới, vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn, ví dụ như thông qua việc nghiên cứu sự trộn lẫn meson D và vi phạm CP.