Nghiên cứu quá trình phân rã beta đôi và ứng dụng để khảo sát quá trình phân rã của fermion trong mô hình neutrino thuận thang điện yếu

Bài viết trình bày quá trình phân rã beta đôi; Sự tạo thành và phân rã của neutrino thuận thang điện yếu. Kết quả nghiên cứu về quá trình phân rã beta đôi cùng sự tạo thành và phân rã của neutrino thuận thang điện yếu đã thực hiện được mục tiêu đặt ra của bài báo cáo.

NGHIÊN CỨU Q TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐƠI VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ CỦA FERMION TRONG MƠ HÌNH NEUTRINO THUẬN THANG ĐIỆN YẾU LÊ THỊ QUẾ PHẠM THỊ HẠNH - PHAN THỊ HƯƠNG THẢO Khoa Vật ký GIỚI THIỆU Lĩnh vực vật lý hạt vật lý lượng cao nhà khoa học nước nghiên cứu từ năm cuối kỷ XIX Tại Viện Vật lý, Trung tâm Vật lý hạt nhân phịng thí nghiệm Tia vũ trụ Trung tâm Vật lý kỹ thuật nghiên cứu tương tác hạt từ tia vũ trụ, hạt tạo máy gia tốc, phạm vi nghiên cứu chủ yếu tương tác mạnh Ở Việt Nam, thực chưa có tranh lý thuyết hệ thống cụ thể để giải thích cách rõ ràng khoa học nguồn gốc đặc điểm khối luợng neutrino Việc mở rộng mơ hình chuẩn để tạo khối luợng cho neutrino nhà vật lý giới quan tâm Có hai cách để mở rộng mơ hình chuẩn: + Cách thứ nhất: đưa giả thiết có ba hệ neutrino, neutrino hệ gọi neutrino sterile + Cách thứ hai: dựa vào đặc trưng vật lý neutrino để xem xét hạt Dirac hạt Majorana Trong hướng thứ nhất, Lee Yang đưa mơ hình gương cho neutrino sterile [11], có mặt hạt gương làm khối lượng neutrino bé Một vài mơ hình cho hạt neutrino sterile đời năm Cụ thể mơ hình dây [12], mơ hình E6 [13], mơ hình R N Mohapatra [14] Trong hướng thứ hai, từ năm 1998 nhà vật lý A Hamed truờng Đại học Stanford, G Dvali trung tâm Vật lý lý thuyết Trieste J M Russell CERN đưa mơ hình xem neutrino hạt Dirac sử dụng lý thuyết dây để giải thích tham gia tương tác yếu neutrino thuận Năm 2000, Nhật Bản, nhóm nghiên cứu H Murayama dùng chế Higgs để tạo khối lượng cho neutrino cường độ tương tác neutrino với hạt Higgs bé 10–12 lần so với hạt quark t Năm 2006 Mỹ, H Davoudiasl đồng nghiệp đưa mơ hình tạo khối luợng cho hạt neutrino Majorana có khối luợng vào cỡ TeV từ điều kiện QCD [15] sử dụng toán tử thứ nguyên Năm 2007, P Q Hung [8], [9], [10] đưa mơ hình neutrino thuận thang điện yếu Trong mơ hình neutrino thuận đặt lưỡng tuyến SU(2)L chứa lepton mang điện thuận hay gọi lepton mang Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2013-2014 Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế, tháng 12/2013, tr: 67-74 68 LÊ THỊ QUẾ cs điện gương Vì khối lượng nằm thang điện yếu hạt Majorana nên tìm thấy máy gia tốc với tín hiệu đặc trưng q trình phân rã beta đơi Q TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐƠI Chúng tơi nghiên cứu phân rã beta đôi cho thấy khác biệt trực tiếp Dirac neutrino Majorana neutrino Có hai phương thức phân rã beta đôi: + Phương thức neutrino + Phương thức khơng có neutrino : phương thức xảy với Majorana neutrino : phương thức xảy cho Dirac neutrino Majorana neutrino Chúng phân tích q trình chuyển tiếp hạt nhân hai chế: cho hai mơ hình + Một chế neutrino (2n) nơi chuyển tiếp hai neutrino (n1 n1) kích hoạt phân rã beta đơi + Hai chế N* nơi mà phân rã beta đơi xảy thơng qua q trình chuyển đổi * hạt nhân liên quan đến Sự phân rã beta đôi cung cấp công cụ tốt để xác định xem neutrino hạt Dirac hay hạt Majorana Chính xác phân rã beta đơi khơng có hạt neutrino (phương thức ) liên quan đến liên quan đến thay đổi tổng số lepton xảy neutrino Majorana Trong phân rã beta đôi hai neutrino (phương thức ) xảy độc lập với chất chúng 2.1 Phân rã beta đôi không neutrino Trong phân rã này, tìm hiểu hai chế chủ yếu: chế 2n chế N* Trong chế 2n, phân rã beta đơi xảy thơng qua q trình chuyển đổi neutrino đến proton biểu diễn hình sau Hình Phân rã beta đôi không neutrino chế 2n, NA , NB , Nn hạt nhân mẹ, hạt nhân hạt nhân trung gian NGHIÊN CỨU Q TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐƠI VÀ ỨNG DỤNG Mặt khác, có q trình chế 69 (i) Sự tương tác mạnh tạo trạng thái hạt nhân sau khiến cho phân rã yếu hình sau: Hình Phân rã beta đơi khơng neutrino chế N*, nhân trung gian bao gồm trạng thái hạt (ii) Các hạt nhân mẹ làm phân rã yếu đến trạng thái hạt nhân chuyển đổi thành hạt nhân hình sau: Hình Phân rã beta đơi khơng neutrino chế N*, trạng thái hạt nhân trung gian Cơ chế phân rã beta đôi không neutrino xảy λ cho dù neutrino có khối lượng hay khơng có khối lượng, nhiên giới hạn thu chế N* dường vơ nghĩa khơng có đóng góp từ dạng mυ- chế N* áp dụng Tuy nhiên, thực nghiệm gọi Gerda, nhà nghiên cứu gián tiếp tìm hiểu xác suất xảy phân beta đơi khơng neutrino Gerda đặt phịng thí nghiệm quốc gia INFN Gran Sasso Ý, tái tạo thí nghiệm trước năm 2004 với cải tiến tốt Các nhà nghiên cứu gián tiếp phát neutrino phát từ phân rã beta đôi Germani-76 cách đo phổ lượng điện tử phát Phân rã không neutrino gây đỉnh cao số kiện lượng electron tối đa Nhưng hợp tác Gerda khơng tìm đỉnh cáo dự liệu họ, điều tỉ lệ phân rã beta đơi khơng neutrino (nếu xảy ra) nhỏ 10-4 lần phân rã beta đơi bình thường 2.2 Phân rã beta đôi hai neutrino i) Sự chuyển đổi 0+! 0+ 70 LÊ THỊ QUẾ cs Sau tính tốn đơn giản ta thu Để biểu diễn tích phân pha khơng gian bỏ qua khối lượng neutrino giả sử thay sau (trong phạm vi % sai số không đáng kể) Cho nên Tỉ lệ phân rã Primakoff Rosen xác định phương trình ii) Sự chuyển đổi 0+! 2+ Với dịch chuyển này, có: Qua số bước tính, ta thu phương trình : Tỉ lệ phân rã đưa NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐƠI VÀ ỨNG DỤNG ii) 71 Sự chuyển đổi 0+ ! 1+ : Tương tự, thu SỰ TẠO THÀNH VÀ PHÂN RÃ CỦA NEUTRINO THUẬN THANG ĐIỆN YẾU Vì neutrino mà ta nghiên cứu neutrino Majorana thang điện yếu, nên chúng xuất q trình vi phạm số lepton giá trị lượng thang điện yếu Cụ thể, ta sản xuất quan sát trình phân rã chúng máy gia tốc (LHC…) Tín hiệu đặc trưng kiện hai lepton dấu tương tự q trình phân rã beta đơi neutrino Trong mơ hình lưỡng tuyến , nên chúng tương tác với boson Z W Khối lượng neutrino nằm giới hạn , nên rõ ràng tạo máy gia tốc Không giống trường hợp neutrino đơn tuyến nhẹ mơ hình chuẩn, neutrino thang điện thuận mơ hình ta liên kết trực tiếp với boson Z sản sinh cặp hạt Ta có Vì Hạt hạt Majorana nên chúng phân rã theo q trình nặng có khả phân rã thành nhẹ hơn, cụ thể , Trong phần lượng Các hệ hạt lepton ký hiệu số i, i = 1,2,3 Sản phẩm phân rã phụ thuộc khối lượng Khối lượng lớn khối lượng Trong trường hợp này, sản phẩm phân rã sau: 72 LÊ THỊ QUẾ cs đó, W hạt thực lại hạt ảo trường hợp ngược W hạt thực Giản đồ Feynman trình phân rã Hình Quá trình phân rã W* hạt ảo Giản đồ Feynman trình phân rã Hình Quá trình phân rã Khối lượng bé khối lượng Quá trình phân rã: (hình hình 7) Giản đồ Feynman trình phân rã: Hình Quá trình phân rã Hình Quá trình phân rã (hình 8) NGHIÊN CỨU Q TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐƠI VÀ ỨNG DỤNG 73 Hình Quá trình phân rã Khối lượng bé lepton mang điện Trong trường hợp khối lượng sau bé lepton mang điện, sản phẩm phân rã Giản đồ Feynman trình phân rã Hình Quá trình phân rã KẾT LUẬN Kết nghiên cứu trình phân rã beta đôi tạo thành phân rã neutrino thuận thang điện yếu thực mục tiêu đặt báo cáo Trong trình nghiên cứu làm đề tài nghiên cứu khoa học, thu số hiểu biết thân lĩnh vực vật lý hạt Những kết đề tài nghiên cứu khoa học tóm tắt sau: Chúng tơi nghiên cứu tính chất q trình phân rã beta đôi: phân rã neutrino phân rã neutrino Từ đó, chúng tơi nghiên cứu xác suất phân rã beta đôi neutrino bé so với phân rã neutrino trình phân rã beta đơi có nhiều đặc điểm tương tự mơ hình neutrino thuận thang điện yếu Theo đó, chúng tơi nhận thấy khối lượng neutrino thuận nằm thang điện yếu hạt Majorana nên tìm thấy thơng qua tín hiệu q trình phân rã beta đơi.Từ dấu hiệu nhận biết hạt mơ hình neutrino thuận thang điện yếu tương tự trường hợp phân rã beta đôi, có vi phạm số hạt lepton TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 LÊ THỊ QUẾ cs [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Hoàng Ngọc Long (2006) Cơ sở vật lý hạt bản, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Nguyễn Như Lê (2008) Sự tạo thành phân rã lepton điện gương neutrino thuận thang điện yếu, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế Feynman R and Gell-Man M (1958) Phys Rev 109, 193 Griffiths D (1987) Introduce to Elemantary Particles, Wiley Hung P Q., Phys Lett B 659 585-592 (2008) Hung P Q., Phys Lett B 649, 275 (2007) Hung P Q., [arXiv:hep-ph/0706.2753] Hung P Q., Phys Rev D 67, 095011 (2003) H.V Klapdor - Kleingrothaus (1999) Sixty Years Of Double Beta Decay, World Scientific Jennifer A Thomas – Patricia L Vahle (2008) Neutrino Oscillations, World Scientific M Agostini et al., Phys Rev Lett 111,122503 (2013) LÊ THỊ QUẾ PHAN THỊ HƯƠNG THẢO PHẠM THỊ HẠNH SV lớp VLTT 4, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế ĐT: 0166 893 0163, Email: quedhsp@gmail.com ... Feynman trình phân rã Hình Quá trình phân rã W* hạt ảo Giản đồ Feynman trình phân rã Hình Quá trình phân rã Khối lượng bé khối lượng Quá trình phân rã: (hình hình 7) Giản đồ Feynman trình phân rã: Hình. .. trình phân rã: Hình Quá trình phân rã Hình Quá trình phân rã (hình 8) NGHIÊN CỨU Q TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐƠI VÀ ỨNG DỤNG 73 Hình Quá trình phân rã Khối lượng bé lepton mang điện Trong trường hợp... lepton mang điện, sản phẩm phân rã Giản đồ Feynman trình phân rã Hình Quá trình phân rã KẾT LUẬN Kết nghiên cứu q trình phân rã beta đơi tạo thành phân rã neutrino thuận thang điện yếu thực mục