Bài giảng Cấu trúc vật chất từ nucleon đến quark

Cấu trúc vật chấtTừ nucleon đến quark Summer School 2005 Nguyễn Mậu Chung Vietnam National University Trần Minh Tâm EPFL Lausanne Switzerland Tóm tắt nội dung Đầu thế kỷ XX : Vật chất, nguyên tử, ánh sáng, phóng xạ. Các tương tác cơ bản, đối xứng. Các hạt cơ bản. Cơ sở thực nghiệm : máy gia tốc, detector. Cơ sở lý thuyết : trường chuẩn. Mô hình chuẩn. Hai vấn đề thời sự : LHC, máy gia tốc tương lai của CERN. Quan hệ Vật lý Hạt cơ bản và vũ trụ học. Thay cho kết luận. Đầu thế kỷ XX Đầu thế kỷ XX, con người biết : Nguyên tử (Démocrite), phân tử, tinh thể. ánh sáng, tia X (Roentgen). Các trạng thái của vật chất. Phóng xạ (alpha, bêta, gamma). Electron (J.J. Thomson đo e/m (1897) ---> khối lượng electron sân bóng. Hạt nhân --> quả bóng. Khối lượng nguyên tử tập trung ở hạt nhân. Hạt nhân làm tán xạ hạt a. Electron quay quanh hạt nhân. neutron Hydrogène trong hạt nhân (Rutherford). Bức xạ đâm xuyên (Bother và Becker). Tia g năng lượng cao 50 MeV (Curie). Thí nghiệm của Chadwick : Lặp lại thí nghiệm Curie với các nguyên tố khác nhau. Xác định khối lượng neutron, thông qua hạt nhân giật lùi. Hạt nhân nguyên tử Hạt nhân gồm proton và neutron (nucleon). Trong nucleon có các quark hóa trị : p(uud), n(udd). Quark tương tác mạnh với nhau thông qua gluon. Nucleon cấu tạo từ quark hóa trị, gluon và quark biển. Hai vấn đề đầu thế kỷ XXTương đối và Lượng tử Vận tốc ánh sáng là hằng số (Michelson và Moreley) mâu thuẫn với quan niệm chung bấy giờ. Được giải quyết nhờ Thuyết tương đối hẹp. Tương tác ánh sáng với vật chất : bức xạ vật đen. Lượng tử hóa ánh sáng khi phát xạ (1900, Planck) Lượng tử hóa ánh sáng khi hấp thụ (1905, Einstein). Khởi đầu Cơ học lượng tử. Các tương tác Các hiện tượng của tự nhiên gắn liền 4 loại tương tác : tương tác điện từ, tương tác hạt nhân hay tương tác mạnh, tương tác yếu, tương tác hấp dẫn. Tương tác điện từ Được hiểu rõ nhất : Tầm tác dụng xa vô hạn Cường độ đặc trưng bằng hằng số cấu trúc tinh tế ae = 1/137 = e2/4pe0(h/2p)c. Được dùng làm mô hình cho các tương tác khác. Nguồn gốc : Điện tích -> điện trường. Điện tích chuyển động -> từ trường. Điện tích gia tốc -> điện từ trường. Lý thuyết : Hệ phương trình Maxwell ! Điện động lực học lượng tử QED. Tương tác mạnh (1) 1932 : phát hiện neutron (Chadwick). Để n và p trong hạt nhân, lực hạt nhân phải : Thắng lực coulomb (-> mạnh !), Có tầm ngắn, Không phụ thuộc điện tích (hạt nhân gương) : tồn tại đối xứng (trong) giữa proton và neutron ! Theo Heisenberg : đối với tương tác mạnh, n và p là 2 trạng thái của cùng một hạt -> khái niệm d’isospin. Hạt nhân gương Tương tác mạnh (2) Phân rã hạt nhân : Tương tác mạnh, tầm ngắn Hạt nhân bền ≈ cân bằng giữa tương tác mạnh (hút) và lực tĩnh điện (đẩy). Cực đại năng lượng liên kết trung bình --> hạt bền vững nhất : Fe56. Phân rã a : hạt nhân He4, bền vững, xuyên qua rào thế bằng hiệu ứng đường ngầm. Tương tác yếu (1) Gây ra phân rã b, làm giảm số nucleon dư thừa của hạt nhân. Hai loại phân rã b b- : n --> p + e- b+ : p --> p + e+ Phổ g và a gián đoạn, phổ b liên tục : Borh đề nghị từ bỏ định luật bảo toàn năng lượng. Pauli (1930) đưa ra giả thuyết neutrino. Neutrino Neutrino (giả thuyết) : Khối lượng bằng không. Spin : 1/2. Điện tích bằng không. Tương tác yếu với vật chất. Thực nghiệm : tồn tại neutrino (1953). Hai loại neutrino ne và nm (1964). Thiếu hụt neutrino từ mặt trời : Dao động neutrino (Pontercovo) --> neutrino có khối lượng. Super Kamiokande, NOMAD, CHORUS ... Thí nghiệm tầm xa : Minos, Grand Sasso. Thống nhất tương tác Đối xứng Đối xứng trong thế giới vĩ mô (tinh thể, bông tuyết, cánh bướm …) Trong vật lý hạt cơ bản, đối xứng liên quan đến hệ động học đang được nghiên cứu. Đối xứng là đối tượng nghiên cứu của một ngành toán học, lý thuyết nhóm. Sau đây chúng ta khảo sát các loại đối xứng khác nhau. Đối xứng không gian và thời gian Quy luật vật lý được phát biểu trong hệ quy chiếu. Tuy nhiên, các quy luật đó không phụ thuộc việc chọn hệ quy chiếu, nghĩa là, không đổi khi chuyển từ hệ quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác. Định lý Noether : bất biến khi tịnh tiến thời gian -> bảo toàn năng lượng E, tịnh tiến không gian -> bảo toàn xung lượng P, quay không gian -> bảo toàn moment động lượng L. Đối xứng rời rạc (1) Trong vật lý hạt cơ bản, ngoài đối xứng không-thời gian, các đối xứng rời rạc cho chúng ta biết khả năng xảy ra phản ứng : Chẵn lẻ (nghịch đảo không gian) P y(x,t) = y(- x,t) Liên hợp điện tích C (biến hạt thành phản hạt); trong trường hợp C bảo toàn, hai phản ứng e- + p --> e- + p e+ + p --> e+ + p giống hệt nhau. Nghịch đảo thời gian T nhận được bằng cách cho thời gian trôi theo chiều ngược lại, nghĩa là, nghịch đảo phản ứng; thí dụ, nếu bất biến dưới biến đổi T, hai phản ứng p- + p --> g + n g + n --> p- + p có cùng xác suất. Đối xứng rời rạc (2) Có thể thực hiện liên tiếp hai phép biến đổi rời rạc, chẳng hạn, CP : Thực hiện biến đổi P vào hệ hạt, rồi biến đổi C. Thu được hệ phản hạt trong hệ quy chiếu nghịch đảo. Nếu Vật lý quyết định sự tiến triển của hai hệ hạt và phản hạt bất biến dưới biến đổi CP, hai hệ sẽ có đặc tính hoàn toàn giống nhau. Người ta cho rằng quy luật Vật lý bất biến dưới biến đổi CPT (Định lý CPT). Đối xứng trong Chúng ta thấy thí dụ về đối xứng trong khi bàn về hạt nhân gương : tương tác mạnh giữa các nucleon (proton hoặc neutron) không phụ thuộc vào điện tích. Tồn tại đối xứng giữa neutron-proton, đối xứng trong của các nucleon. Chúng ta sẽ thấy các hạt khác được đặc trưng bằng các số lượng tử mới (lạ, duyên, đẹp, …) cho phép phân loại hạt cơ bản theo đối xứng trong. Đối xứng động học Đối xứng không-thời gian bảo toàn xung lượng P, năng lượng E và moment J. Nhưng còn các định luật bảo toàn khác, như định luật bảo toàn điện tích. Về mặt toán học, để bảo toàn điện tích, Lagrangien phải bất biến dưới phép biến đổi phase của hàm sóng. y(x) mô tả hàm sóng. Tương tác được mô tả bởi Lagrangien L(y). Nhóm biến đổi phase của hàm sóng G y(x) = y*(x) G L(y) = L(y*) Bất biến L(y) = L(y*). Hạn chế dạng của Lagrangien. Các hạt cơ bản Vật chất gồm 3 họ quark và leptons ghép theo cặp. Quark tham gia cả ba tương tác mạnh, điện từ và yếu. Lepton tích điện (e, m, t) tham gia tương tác điện từ và tương tác yếu. Neutrino n chỉ tham gia tương tác yếu. Điện tích quark : 2/3 và -1/3 Điện tích lepton : 0 và -1 Proton : (uud) neutron : (ddu) Quark Điện tích : -1/3 hoặc 2/3. Ba quark đầu tiên, năm 1963 : u (up), d (down) và s(strange). Quark c (charm), năm 1974 (cách mạng tháng 11). Quark b (beauty hoặc bottom) (1976 tại FermiLab). Quark t (top hoặc truth), FermiLab (tháng 2 năm 1995). Lepton Lepton không có cấu trúc (hạt điểm). Lepton tích điện : electron e (1897), muon m (1937), tauon t (1975). Lepton trung hòa hay neutrino : ne (1953), nm (1964), nt (2000). Các thế hệ và cặp Quark và lepton xuất hiện theo cặp Quark : (u d), (c s), (t b). Lepton (e ne), (m nm), (t nt). Quark và lepton xuất hiện theo thế hệ : u d e ne. c s m nm. t b t nt. Vật chất thông thường chỉ gồm thế hệ thứ nhất. Hadron (hạt tham gia tương tác mạnh) Quark chỉ xuất hiện trong trạng thái liên kết (cầm tù). Meson gồm quark và phản quark : p+ (ud), p- (ud). Baryon gồm ba quark : proton (uud), neutron (udd). Pentaquark ? Cơ sở thực nghiệm cho Vật lý hạt cơ bản Bằng cách nào nhìn thấy hạt cơ bản nhỏ hơn nguyên tử một trăm triệu lần ? Quan sát vật có kích thước khác nhau Máy gia tốc Năng lượng biến thành vật chất theo công thức E = mc2. Gia tốc tròn và tuyến tính. Hạt bền được gia tốc : electron, proton. Hạt thứ cấp sinh ra : p, kaon, m, n. Máygia tốc tại CERN Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu âu CERN tại Geneva nằm trên hai nước Pháp và Thụy sỹ. Máy gia tốc trước cung cấp hạt cho máy gia tốc sau : PS, SPS, LEP và LHC. Năng lượng cao nhất 14 TeV trong hệ khối tâm. Chu vi LEP và LHC : 28 km. Hai kiểu thí nghiệm Bia cố định : đơn giản, mật độ cao nhưng năng lượng thấp. Collider : năng lượng cao, mật độ thấp, kỹ thuật phức tạp. Detector cho hạt cơ bản Xác định hạt Tracker xác định vị trí hạt tích điện. Calorimeter điện từ xác định e và g. Calorimeter hadron xác định hadron : p, n, p. Buồng muon xác định muon m. Lý thuyết trường chuẩncơ sở lý thuyết của Vật lý hạt cơ bản (1) Các hạt cơ bản và các loại tương tác cho phép giải thích các hiện tượng dưới cấp độ hạt nhân. Tuy nhiên, các nhà vật lý hiểu rằng còn tồn tại mối liên hệ sâu sắc hơn giữa tương tác và vật chất : vật chất xuất hiện không phải chỉ để các tương tác tác dụng lên ! Tất cả các tương tác có thể được suy ra theo cùng một nguyên lý đối xứng của vật chất :  Nguyên lý bất biến chuẩn định xứ. Nguyên lý này gắn với đối xứng trong không gian nội tại của quark và lepton. Lý thuyết trường chuẩn cơ sở lý thuyết của Vật lý hạt cơ bản (2) Heisenberg : n và p là 2 trạng thái của nucleon (dẫn đến isospin). -> với tương tác mạnh, không có gì thay đổi khi quay tất cả các vector isospin trong toàn thể vũ trụ theo cùng một góc. Điều gì xảy ra khi khảo sát phép quay theo các góc khác nhau tại mỗi điểm trong không gian? (C.N. Yang et R.L. Mills 1954). Quay > Lý thuyết trường chuẩncơ sở lý thuyết của Vật lý hạt cơ bản (3) Yang và Mills kết luận rằng bất biến chỉ thỏa mãn khi tồn tại những > chuyển từ điểm này sang điểm khác trong không gian những thông tin về góc quay của vector nội tại của hạt. Đó là nguyên lý bất biến chuẩn địa phương. áp dụng cho tương tác điện từ và tương tác yếu, nguyên lý này là cơ sở cho mô hình chuẩn điện từ yếu. Mô hình chẩn tiên đoán khối lượng các sứ giả W±, Z0 hạt sau là boson trung gian của tương tác yếu dòng trung hòa. Lý thuyết trường chuẩn Điện động lực học lượng tử QED Đối với điện từ học, có thể thay đổi một cách tổng thể pha G của hàm sóng của các hạt tích điện. Nếu chúng ta đòi hỏi bất biến chuẩn định xứ G(x), lagrangien không giống như trước . Đưa vào photon A : bất biến chuẩn định xứ được tái xác lập khi xuất hiện boson chuẩn không khối lượng, pho ton. Đối xứng chuẩn -> bảo toàn điện tích. G L(y) --> L(y*) biểu diễn các định luật vật lý độc lập cách chọn phase. G(x) L(y) --> L*(y*) L  L* ! G(x) L(y A ) --> L(y*,A*) A là vector 4 chiều của trường điện từ. Mô hình chuẩn Tìm kiếm lý thuyết bất biến chuẩn định xứ cho các tương tác yếu, điện từ và mạnh. So với QED, vấn đề khó khăn là boson chuẩn của tương tác yếu có khối lượng lớn. Hiện tượng phá vỡ tự phát của đối xứng chân không và cơ chế Higgs cho phép tạo khối lượng cho boson trung gian của tương tác yếu và giữ cho photon không có khối lượng. Bằng cách đó, người ta đưa vào boson Higgs khi tương tác với các hạt khác sẽ làm cho các hạt khác có khối lượng. Với tương tác mạnh, boson chuẩn, gluons, đóng vai trò sứ giả của tương tác mạnh giữa các quarks. ô Điện tích tương tác mạnh ằ là các ô màu ằ. Phá hủy đối xứng tự phát,  cơ chế Higgs (1) Trong vật lý thường có lý thuyết đối xứng nhưng có nghiệm bất đối xứng. Trong lý thuyết lượng tử, hạt được mô tả bởi các trường. Mức cơ bản (trạng thái trong chân không) tương ứng năng lượng cực tiểu. Khảo sát cặp vô hướng F = (f1, f2) (tương tự với nucleon N = (p, n)) và thế tương tác U(F) giữa f1 và f2 có dạng như hình vẽ. Đòi hỏi bất biến chuẩn định xứ khi quay trong mặt phẳng (f1, f2) . Bất biến chuẩn định xứ (quay trong không gian F --> Xuất hiện hạt chuẩn A với Lagrangien : L(f1, f2, A). Phá hủy đối xứng tự phát cơ chế Higgs (2) A mang thông tin về góc quay (f1, f2) từ điểm này sang điểm khác. Định nghĩa lại trường trong trạng thái năng lượng cực tiểu ’ = f1, 2’ = f2 - R Không thay đổi về vật lý! Kết quả nhận được : f’ nhận khối lượng tỷ lệ với R. ’ biến mất. Hạt chuẩn A nhận khối lượng tỷ lệ với R. Đối xứng ban đầu bị phá hủy ! G(x) L(f1, f2, A) -> L(f1, f2, A*) Bất biến chuẩn định xứ. Cho đến lúc này, hạt chuẩn A chưa có khối lượng (như trong QED). Phá hủy đối xứng tự phát L(f1, f2, A)  L(’, 2’, A) Số bậc tự do (btd) được bảo toàn : F : 2 btd, A : 2 btd. (không khối lượng) 2’ : 1 btd, A : 3 btd (A có khối lượng)  là hạt Higgs Hạt thu nhận khối lượng ! Chúng ta vừa thấy hạt chuẩn thu nhận khối lượng như thế nào. Chúng ta cũng phải đưa vào Lagrangien tương tác của hạt Higgs với các hạt thông thường : tương tác này làm cho các hạt khác có khối lượng. Tuy nhiên, tương tác này còn chưa được hiểu tường tận. Tương tự 1 : Trong đại sảnh có cuộc gặp mặt cả các đại biểu quốc hội; họ phân bố đều trong phòng và nói chuyện. Thủ tướng bước vào, các đại biểu gần thủ tướng vâyquanh để hỏi chuyện. Thủ tướng phải gắng sức hơn để có thể dịch chuyển : điều đó giống như ông ta nhận khối lượng ! Tương tự 2 : độ nhớt của hạt khi chuyển động qua chất lỏng nhớt -> tương tác càng mạnh, hạt càng tỏ ra có khối lượng ! Việc phát hiện ra hạt Higgs có tính quyết định ! mô hình Thành công và điểm yếu của chuẩn Mô hình chuẩn có 18 tham số tự do, trong đó có hằng số liên kết a và góc Weinberg qW. Các hạt của mô hình đều đã dược phát hiện, trừ boson Higgs. Mô hình trải qua nhiều thử nghiệm trong các thí nghiệm khác nhau Quan sát dòng trung hòa yếu tại CERN (Gargamelle 1973) Quan sát boson trung gian W± và Z0 (UA1 và UA2 1984) 3 họ neutrinos -> 3 họ fermions (LEP 1992) Quark top phát hiện bởi thí nghiệm CDF (FNAL 1995). Nhưng : 18 tham số ! Có tồn tại lý thuyết khác ? Có tồn tại lý thuyết cho mọi thứ ? Các hạt có thật sự là cơ bản ? Đâu là nguồn gốc của vi phạm CP quan sát thấy trong hệ K0 ? Nhắc lại các tương tác Trong phân rã b, gây ra do tương tác yếu, quark d được biến đổi thành quark u. Tương tác này là kết quả trao đổi môt hạt truyền tương tác, boson trung gian W- (O. Klein 1938). Hạt boson W+ cũng tồn tại (phân rã +). Hạt truyền tương tác điện từ là photon. Hạt truyền tương tác mạnh giữa các quarks là gluon. Tóm tắt hạt và tương tác Perl (75) Thomson e– (1897) Anderson e+ (32) Lederman (77) Ting/Richter (74) Rubbia (83) Compton (23) Einstein? (05) CDF (95) DESY (79) Anderson (37) Neddermeyer Gell-Man Zweig (64) Friedman et al. Thiếu sót hiện nay của Vật lý hạt cơ bản Những vấn đề lớn của Vật lý hạt cơ bản : Nguồn gốc khối lượng (cơ chế Higg, siêu đối xứng). Bản chất của vật chất tối của vũ trụ (khối lượng neutrino ? hạt siêu đối xứng ? các thứ khác ?). Vật chất nhiều hơn phản vật chất trong vũ trụ (liên quan vi phạm bất biến CP ? [Sakharov]). Độ bền của vật chất (phân rã proton). Lý thuyết thống nhất gồm cả hấp dẫn ? -> Lý thuyết dây ? Số chiều của vũ trụ ? Thí nghiệm và dự án Sinh ra meson B : BaBar (USA) và Belle (Japan) [nghiên cứu đầu tiên về vi phạm CP]. Thí nghiệm neutrinos : Super-Kamiokande (Japan), K2K (Japan), SNO (Canada), Minos (USA) [nghiên cứu về dao động các n, chứng tỏ n có khối lượng (mặc dù rất nhỏ)]. Chùm tia neutrinos (CGNS) giữa CERN và phòng thí nghiệm Gran Sasso (≥ 2005) [ nghiên cứu nm  nt]. Thiết bị va chạm hadrons (LHC) (√s = 14 TeV). Chương trình quy mô chưa từng có được thực hiện bởi CERN (≥ 2007), liên kết với nhiều quốc gia trên trái đất và nhiều hãng công nghiệp [tìm kiếm hạt Higg và các hạt siêu đối xứng]. Các vấn đề quan trọng Hai vấn đề thời sự : Máy gia tốc LHC, tính hữu dụng với vật lý hạt cơ bản, các thách thức công nghệ liên quan đến LHC. Mối liên hệ giữa Vật lý hạt cơ bản và vũ trụ học. Thiết bị va chạm hadron LHC tìm kiếm hạt Higgs và hạt siêu đối xứng Số liệu của LEP chính xác đến mức (khối lượng Z0 được biết với độ chính xác 1/105) nhậy với các hiện tượng năng lượng rất cao : thí dụ mtop chính xác như phép đo đầu tiên ! Chúng ta có thể nghĩ rằng các hiện tượng mới sẽ xuất hiện tại năng lượng của LHC √s = 14 TeV : Tồn tại hạt Higgs, hạt siêu đối xứng… LHC, các nghiên cứu bắt đầu từ 15 năm trước sẽ được đưa vào hoạt động năm 2007 và sẽ hoạt động ít nhất trong 15 năm. Các thách thức kỹ thuật của thiết bị va chạm hadron LHC Máy gia tốc Năng lượng : hơn LEP 5 lần (hạt), 70 lần (chùm tia), Luminosity : 100 lần các thiết bị va chạm khác (dn=L x s x dt) 5000 nam châm siêu dẫn (1.9K He siêu chẩy : trạm làm lạnh lớn nhất thế giới) gồm 1296 dipole 8,4 Tesla trên ~ 27 km, nhờ đó LHC tiêu thụ ít điện năng (năng lượng) hơn LEP. Công nghệ phát hiện hạt (pixel, hệ điện tử chịu bức xạ, DAQ, etc.) sử dụng trong bốn detector : ALICE, ATLAS, CMS và LHCb. Các phương tiện tính toán (máy tính) và viễn thông. Detector của LHC ATLATS, ALICE, CMS, LHCb CMS là hợp tác lớn gồm hơn 2000 nhà vật lý Sự kiện mô phỏng trong CMS:Higgs --> 4 muon Va chạm của 2 proton : Các hạt sinh ra để lại dấu vết trong các detector và người ta tái xây dựng quỹ đạo cũng như năng lượng các hạt để lại trong detector. Các va chạm xảy ra với tần số 40 MHz (25 ns). Do năng lượng lớn, rất nhiều hạt được sinh ra. -> cách thức thu thập và xử lý số liệu! Thách thức trong ghi nhận và xử lý số liệu của LHC (1) 40 MHz (25 ns), 109 sự kiện trên giây -> 1 Peta (1015) Bytes trên giây ! Một detector của LHC phải xử lý số liệu số tương đương 100 lần tất cả các cuộc nói chuyện điện thoại trên thế giới, khi mọi người đều dùng điện thoại di động một lúc (1 điện thoại số = 1-2 KBytes/sec). Tốc độ ghi nhận số liệu phải giảm xuống 1 hoặc 2 Giga (109) Bytes trên giây (hệ số giảm 106 !) có nghĩa : Khả năng tinh toán on-line rất lớn để chọn sự kiện tốt (trigger), (1000 PC 2007, > 10 lần mạnh hơn hôm nay). Khả năng lưu trữ số liệu lớn (2 Peta Bytes/năm !)tương đương cột CD dài 3 km (600 MBytes/CD). Thách thức trong ghi nhận và xử lý số liệu của LHC (2) Việc phân tích số liệu để rút ra kết luận vật lý đòi hỏi công nghệ máy tính ngaỳ càng phát triển. Thí dụ : máy tính Nintendo 64 ngày nay = CRAY/XMP máy tính mạnh nhất của CERN (và của Châu Âu) vào cuối những năm 70. Người ta có thể không làm được điều đó với những công nghệ ngày nay ! (Phải tin vào các nhà vật lý !) Cơ sở hạ tầng tin học đang phát triển cho phép dùng các ứng dụng mới dựa trên liên kết tốc độ cao giữa các cá nhân, các máy tính, các cơ sở dữ liệu, các thiết bị khoa học, v.v. (dự án GRID xem Để hiểu thêm về CERN : Vật lý hạt cơ bản và vũ trũ học Hội tụ hai ngành cơ bản của vật lý trong khuôn khổ lý thuyết Big Bang : một ngành với thế giới vi mô, nghành kia với thế giới vĩ mô. Big Bang : hơn 1010 năm trước, vũ trụ bắt đầu từ một vụ nổ lớn tại một điểm đặc biệt của không-thời gian. Từ đó đến nay, vũ trụ không ngừng giãn nở. Vũ trụ sơ khai gồm các hạt cơ bản và quá trình phát triển của vũ trụ được quyết định bởi các tương tác cơ bản giữa các hạt. Ba hiện tượng vũ trụ Các thiên hà xa dần nhau với vận tốc tăng lên khi chúng càng xa nhau (E. Hubble, 1929) v = H.r với H = 100 h km s-1/Mpc (1 ≥ h ≥ 0.4) (1 Mpc = 3 x 106 năm ánh sáng), Các nguyên tố nhẹ chiếm đa số (G. Gamov, ~1950). Các nguyên tố này được tổng hợp lúc nhiệt độ vũ trụ 109 K. Bức xạ điện từ nền đẳng hướng 2.7 K (A. Penzias và R. Wilson, 1965). Đó là bức xạ điện từ tàn dư của giai đoạn vũ trụ nóng hơn; từ đó vũ trụ nguội đi khi giãn nở cho đến 2.7 K hiện nay. Vụ nổ Big Bang ý tưởng : Theo lý thuyết đại thống nhất GUT, tương tác điện từ và tương tác yếu chỉ có đặc tính khác nhau tại năng lượng thấp. Tồn tại ngưỡng năng lượng, nhiệt độ, thời gian (giãn nở). Tương tác điện từ yếu Khối lượng bosons: MW = 80 GeV, MZ = 91 GeV, Mg = 0 GeV Nếu E >> MZ, thí dụ 104 GeV, -> khối lượng không quan trọng -> boson sinh ra như nhau -> đối xứng giữa hai tương tác điện từ và yếu. Nếu E tương tác yếu tầm ngắn (nguyên lý bất định). Vài giai đoạn trong lý thuyết Big Bang 10-43 s , T  1032 K  1019 GeV, GUT (?) thống trị. Hạt và phản hạt bằng nhau, hủy và tạo cặp. 10-34 s , T K GeV. GUT kết thúc. Vật chất nhiều hơn phản vật chất. Vi phạm CP. 10-10 s , T  1015 K  102 GeV Tách biệt tương tác điện từ và tương tác yếu. Proton, neutron được tạo nên trong trạng thái cân bằng : ne + p e+ + n ne + n e- + p 1 giây T  1010 K  1 MeV. Với T = 1 MeV, cân bằng giữa p và n bị phá hủy. Neutrons bị phân rã. 3 phút T  8 x 108 K . Bắt đầu tổng hợp hạt nhân kéo dài trong vài giờ -> 25% He và 75% H. 105 năm T 4000 K . Photon không còn đủ năng lượng để phá vỡ nguyên tử -> bức xạ tàn dư. 109 năm : thiên hà đầu tiên! Nhiệt độ và thời gian sau BigBang Vấn đề chưa được giải quyết Sự dư thừa vật chất so với phản vật chất Người ta cho rằng vào cuối giai đoạn GUT, vi phạm đối xứng C và CP (rất nhỏ) dẫn đến dư thừa vật chất so với phản vật chất. Khối lượng tối của vũ trụ ít hơn 10% khối lượng vũ trụ sáng. Phần 90% còn lại là gì? Bây giờ chúng ta biết neutrino dao động, nghĩa là, trạng thái riêng khối lượng khác trạng thái riêng tương tác yếu : neutrino có khối lượng. Neutrino đóng góp bao nhiêu vào khối lượng tối? Thay cho kết luận Vật lý hạt cơ bản là ngành nghiên cứu "cơ bản". Electron được phát hiện cách đây một thế kỷ, cuộc sống ngày nay không thể thiếu electron : Electron mang ánh sáng đến nhà ở, mang tiếng nói đến cho người thân, tạo hình trên màn ảnh TV… Tuy nhiên, electron đầu tiên được nghiên cứu không phải vì các ứng dụng trên, mà chỉ thuần túy vì hiểu biết . Không ai dám nói trước những ích lợi chúng ta có thể thu được từ những nghiên cứu cơ bản ? Liệu có những đổi mới lien quan đến phát hiện các hạt W± và Z0? Tuy nhiên, những dụng cụ dùng trong nghiên cứu cơ bản tìm thấy nhanh chóng các ứng dụng trong các lĩnh vực khác; Thí dụ. : www, trị liệu hadron, chụp hình cắt lớp trong y học …