LỰC HẠT NHÂN

 

LỰC HẠT NHÂN ( NUCLEAR FORCE )

89B

Vấn đề lực hạt nhân là một trong những vấn đề khó nhất của  vật lý hiên đại [1].

Lực hạt nhân (hay lực tương tác mạnh ) là lực giữa 2 hoặc nhiều nucleon ( proton và neutron) trong hạt nhân nguyên tử . Lực này 10 triệu lần lớn hơn mạnh hơn lực lực liên kết hóa học nối các nguyên tử trong phân tử . Vậy năng lượng các LPƯ (Lò Phản ứng ) lớn hơn nhiều lần so với năng lượng cung cấp bởi các lò nhiệt điện.Tầm lực hạt nhân rất ngắn vài femtometer (1 fm=10^-15 m), ngoài tấm đó lực hạt nhân giảm mạnh.

Nghiên cứu lực hạt nhân đã chiếm công sức nhiều thế hệ các nhà vật lý.

Một ít lịch sử

 Hình 1.Hạt nhân nguyên tử được cấu thành bằng những proton (màu vàng) và những neutron (màu xanh) và gắn kết nhau bởi những lực hạt nhân.

Năm 1935 nhà vật lý Nhật Hideki Yukawa đưa ra ý tưởng rằng các nucleon trao đổi nhau một hạt meson (có khối lượng) và từ đó phát sinh lực hạt nhân giống như các electron trao đổi photon ( không khối lượng) ,song vì lực hạt nhân có tầm tác động ngắn cho nên hạt trao đổi phải có khối lượng: hạt pi-meson được tìm ra năm 1948-1949. Yukawa nhận giải Nobel 1949.

Trong những năm sau nhiều hạt meson được tìm ra và được sử dụng trong lý thuyết meson của lực hạt nhân và như vậy chúng ta có sự trao đổi của nhiều loại meson 2,3,4,…trong tương tác giữa các nucleon.

Vào khoảng năm 1970 các nhà vật lý tìm ra QCD (Quantum ChromoDynamics –sắc động học lượng tử ) và các lý thuyết meson trở thành những mô hình riêng biệt và lý thuyết về lực hạt nhân lại bắt đầu một cuộc truy tìm mới trên cơ sở QCD.

Cac nucleon bây giờ là những hạt phức tạp cấu nên bởi những hạt quark liên kết nhau bởi sự trao đổi hạt gluon.

 

 

Hình 2 .Sự trao đổi một pi-meson giữa hai nucleon trong bức tranh quark

Bài toán trong QCD rất phức tạp vì là một bài toán nhiều hạt , trên hình 1 ta thấy đã có đến 6 hạt. Vì vậy tiếp cận lực hạt nhân từ quan điểm QCD đòi hỏi sử dụng siêu máy tính .Người ta đặt hệ các hạt liên quan trên một mạng (lattice) 4-chiều có nhiều điểm rời rạc. Đó là phương pháp gọi là mạng QCD. Sự tính toán theo phương pháp mạng QCD rất tốn kém và khó trở thành một phương pháp tiết kiệm trong nghiên cứu lực hạt nhân.

Khoảng 1990 Steven Weinberg (Nobel) tìm ra phương pháp EFT (Effective  Field theory- Lý thuyết trường hiệu dụng) tương ứng với QCD năng lượng thấp. Phương pháp này có đối xứng chiral , đối xứng này bị phá vỡ  tự phát (spontaneous broken). Các hạt không khối lượng bảo toàn tính chiral : spin và momen đồng song song (hạt phải) hoặc đối song song (hạt trái).Khi đối xứng bị phá vỡ thì phát sinh hạt meson.

Các tính chất của lực hạt nhân

Trên hình 3 ta thấy có những loại lực hạt nhân : 

• Central (tầm ngắn , lực hút )

• Tensor (phụ thuộc vào hướng spin của nucleon với vector nối hai nucleon)

• Spin-quỹ đạo.

Hai loại lực hạt nhân sau tồn tại ở năng lượng cao hơn (~ 200 MeV) dẫn đến lực đẩy ở khoảng cách nhỏ ( 0.5 fm).

Ngoài lực hạt nhân giữa 2 nucleon (1NF) còn có lực hạt nhân giữa 3 nucleon (3NF) ,4 nucleon (4NF) và v.v.

Lực hạt nhân gần như nhau đối với nucleon ( không phân biệt proton và neutron).

Người ta phân biệt các thế V trong lực hạt nhân:

VC central,VS spin-spin,VLS spin-quỹ đạo,VT tensor,

  ,

.Trong đó S= total spin , còn   sigma=spin của nucleon.

Các meson trao đổi là

• pseudo-scalar isovector pion (0−,1),

• scalar isoscalar sigma (0+,0),

• vector isoscalar omega (1−,0),

• vector isovector rho (1−,1),

scalar=vô hướng, pseudo= giả, iso=đồng vị.

Bảng 1. Bốn loại meson quan trọng nhất và các đóng góp vào lực hạt nhân

  

   Hình 3. Những yếu tố cơ bản của lực hạt nhân.Lực trung tâm được nghiên cứu nhiều nhất so với lực tensor và lực spin-quỹ đạo.

Ngoài  mô hình trao đổi một boson (one-boson-exchange -OBE)  ta còn có các trường hợp trao đổi nhiều meson với nhiều loại khác nhau .

QCD

Trong lý thuyết QCD chúng ta có nhiều quark, gluon (nối liền quark). QCD là bộ phận của SM (Standard Model of Particle Physics-Mô hình chuẩn vật lý các hạt cơ bản ). 

QCD =lý thuyết không abelian với nhóm chuẩn SU(3).Trong QCD tương tác trở nên rất mạnh ở khoảng cách lớn và trở nên nhỏ ở khoảng cách bé 9 (hiện tượng tự do tiệm cận -asymptotic freedom - Nobel Prize in Physics 2004  David J. Gross, H. David Politzer và Frank Wilczek ).

Vì vậy QCD cho phép tiếp cận nhiễu loạn (perturbative) ở năng lượng cao trong khi không thể tiếp cận nhiễu loạn ở năng lượng thấp.Lực hạt nhân rơi vào vùng năng lượng thấp của QCD và cho phép sử dụng phép tính toán bằng phương pháp mạng QCD (lattice QCD). Kết quả là phần trung tâm ( central part, xem hình 3) ta thu được một một lõi (core) có sức đẩy và tiếp theo là sức hút  ở tầm  lớn hơn. Các nghiên cứu theo hướng này vẫn đang tiếp diễn.

Hình 4 . Hoành độ là khoảng cách giữa proton và neutron, tung độ là thế năng.Những chấm đỏ biểu diễn lực hạt nhân giữa proton và neutron (spin đối song song) thu được trên máy tính BlueGene/L tại KEK. Những tiên đoán của Yukawa được vẽ bới đường màu xanh.Như vậy ta thấy các nucleon trao đổi pion ở khoảng cách lớn còn ở khoảng cách bé hơn thì tương tác trực tiếp.

 N. Ishii (Univ. of Tsukuba),  S. Aoki (Univ. of Tsukuba) and T. Hatsuda (Univ. of Tokyo) lần đầu tiên phát hiện [2], bản chất lực hạt nhân nhờ phương pháp mạng chuẩn QCD (lattice gauge theory ), phương pháp này được xây dựng ban đầu bởi K. Wilson (Nobel Prize Laureate, Physics, 1982).

Các tác giả trên đã sử dụng siêu máy tính "BlueGene/L và chứng minh được tính đúng đắn của lý thuyết meson Yukawa xuất phát từ QCD và ngoài ra còn phát hiện lực đẩy của lõi hạt nhân ở khoảng cách bé hơn. Và như thế  chứng minh được sự ổn định của các hạt nhân và các sao neutron.

Hình 4 là một trong những kết quả tính toán đồ sộ trên siêu máy tính. Có sự phù hợp với lý thuyết Yukawa sau 72 năm nhờ lý thuyết rất cơ bản là QCD. Ngoài ra phát hiện thêm lực đẩy gần tâm và lực hút ở tầm xa hơn , hai hiện tượng này không có trong lý thuyết Yukawa về trao đổi meson.

Như vậy lực hạt nhân ở tầm gần hay xa hơn đều được  khẳng định trên có sở lý thuyết cơ bản QCD.

Lagrangian QCD có dạng 

Cấp bậc (hierarchy) tính toán lực hạt nhân (xem hình 5) :

LO (lower order),

NLO (next lower order),

NNLO( next to next lower order),

NNNLO (next to next to next lower order ).

 

Hình 5.Đường liền biểu diễn nucleon đường lấm chấm biểu diễn pion

Kết luận 

Vấn đề lực hạt nhân là một trong những vấn đề khó nhất của vật lý hiện đại. Vấn đề này liên quan đến cấu trúc hạt nhân nguyên tử và tương tác giữa các hạt nhân với nhau. Lực hạt nhân liên quan đến mô tả vi mô của một hệ hạt nhân.

Hiên nay các nhà vật lý hạt nhân vẫn đang tiếp tục phát triển nhiều phương hướng nhiều phiên bản mới của lực hạt nhân.

Một điều quan trọng cần chú ý là lý thuyết QCD quả là lý thuyết cơ bản nhất trong vấn đề lực hạt nhân.Song việc khai thác lý thuyết này không phải là việc dễ dàng. Phương pháp mạng QCD (lattice QCD) lại đòi hỏi siêu máy tính và như thế công việc rất đồ sộ và tốn kém, tuy nhiên các nhà vật lý lý thuyết vẫn luôn luôn hy vọng vào lý thuyết QCD, lý thuyết cơ bản tương tác mạnh trong vật lý hạt nhân.

Tài liệu tham khảo

[1] Ruprecht Machleidt,Nuclear Forces

http://www.scholarpedia.org/article/Nuclear_Forces

[2] N. Ishii, S. Aoki and T. Hatsuda, "Nuclear Force from Lattice QCD", Physical Review Letters, July 13, (2007).

[3] F. Wilczek, "Hard-core revelations", Nature 445,156-157 (2007)