(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash

(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash(Luận văn thạc sĩ file word) Axion trong mô hình Smash

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HỒNG THỊ PHƯỢNG Hồng Thị Phượng VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TỐN AXION TRONG MƠ HÌNH SMASH LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN 2022 Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hồng Thị Phượng AXION TRONG MƠ HÌNH SMASH Chun ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý toán Mã số: 8440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đỗ Thị Hương Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu luận văn cơng trình nghiên cứu dựa tài liệu, số liệu tơi tự tìm hiểu nghiên cứu Chính vậy, kết nghiên cứu đảm bảo trung thực khách quan Đồng thời, kết chưa xuất nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực sai tơi hồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Hoàng Thị Phượng LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới người hướng dẫn tôi, cô giáo PGS.TS Đỗ Thị Hương người trực tiếp bảo tận tình cho tơi suốt q trình thực hồn thành luận văn Cơ khơng người thầy mà cịn người chị, người bạn thân thiết cho lời khuyên ấm áp, kinh nghiệm định hướng quý báu sống Đồng thời, xin chân thành cảm ơn thầy cô Viện Vật lý: GS.TS Hoàng Ngọc Long, PGS.TS Nguyễn Thị Hồng Vân, PGS.TS Nguyễn Anh Kỳ giúp trang bị kiến thức chuyên môn quan trọng, bảo cho điều cần thiết người nghiên cứu Đó khơng sở, tảng để tơi hồn thành luận văn mà cịn hành trang vơ quan trọng đường học tập nghiên cứu sau Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể thầy Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu bảo vệ luận văn Cuối cùng, tình cảm chân thành nhất, xin gửi lời cảm ơn đến người thân gia đình, bạn bè ủng hộ, động viên, giúp đỡ suốt trình học tập thực luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Hoàng Thị Phượng MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 VI PHẠM CP TRONG TƯƠNG TÁC MẠNH 1.1 1.2 1.3 1.4 PHÉP NGHỊCH ĐẢO KHÔNG GIAN 1.1.1 Trường vô hướng 1.1.2 Trường vector 1.1.3 Trường Dirac PHÉP BIẾN ĐỔI LIÊN HỢP ĐIỆN TÍCH 1.2.1 Trường vô hướng 1.2.2 Trường Vector 1.2.3 Trường Dirac PHÉP BIẾN ĐỔI CP 10 1.3.1 Trường vô hướng 10 1.3.2 Trường vector 10 1.3.3 Trường Dirac 10 VI PHẠM CP 12 1.4.1 Vi phạm CP lý thuyết mô tả tương tác điện yếu 12 1.4.2 Vi phạm CP QCD 13 AXION VÀ TƯƠNG TÁC CỦA AXION VỚI VẬT CHẤT 19 2.1 CƠ CHẾ PQ 19 2.2 KHỐI LƯỢNG CỦA AXION 23 2.3 TƯƠNG TÁC AXION VỚI VẬT CHẤT 24 2.3.1 Axion tương tác với photon 24 2.3.2 Axion tương tác với electron 25 2.3.3 Axion tương tác với nucleon 27 AXION TRONG MƠ HÌNH SMASH 30 3.1 LÝ DO LỰA CHỌN MƠ HÌNH 30 3.2 MƠ HÌNH SMASH 32 3.3 AXION TRONG MƠ HÌNH SMASH 34 3.3.1 Tương tác axion .34 3.3.2 Khối lượng axion .37 3.3.3 Axion, ứng cử viên vật chất tối 38 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 48 DANH SÁCH HÌNH VẼ 2.1 Tương tác bổ đính vịng axion-electron-electron 27 DANH SÁCH BẢNG 3.1 Tích PQ hạt mơ hình .32 DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT µ muon ν neutrino τ tau b bottom c charm d down e electron f fermion l lepton s strange t top u up DFSZ Dine-Fischler- Srednicki-Zhitiniskii DM Vật chất tối (Dark matter) KSVZ Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov PQ Peccei Quinn QCD Sắc động học lượng tử SMASH Standard Model - Axion - seesaw - Higgs portal inflation VEV Trị trung bình chân khơng LỜI MỞ ĐẦU Từ thuở đầu sơ khai văn minh nhân loại, người có nhu cầu tìm hiểu giới tự nhiên trả lời cho câu hỏi xuất thân loài người Trải qua hàng nghìn năm lịch sử, quan sát chuyển động mặt trời, mặt trăng, quy luật thay đổi ngày đêm, theo mùa, mang đậm tính thơ sơ, tính tơn giáo tới lý luận chặt chẽ, logic; nhân loại phần trả lời thắc mắc ban đầu Tuy nhiên, vũ trụ bao la bên chi phối quy luật chất, nguồn gốc vũ trụ vấn đề khó khăn mà người cố gắng nỗ lực giải đáp Nhận thức vũ trụ biến đổi từ thuyết địa tâm trước thời Corpernic, Galileo nay, lý thuyết vụ nổ lớn (Big Bang) cho hợp lý Để nghiên cứu vũ trụ đâu, cấu tạo hình thành phải dựa vào việc nghiên cứu thời điểm ban đầu vũ trụ Theo thuyết Big Bang, vũ trụ hình thành sau vụ nổ Big Bang - cho thời điểm bắt đầu vũ trụ Bằng quan sát tính tốn nhà khoa học đo tuổi vũ trụ vào khoảng 13,8 tỉ năm Vụ nổ nguyên nhân sinh khơng gian, thời gian tồn vật chất, lượng vũ trụ ngày Các hạt tồn tại, tán xạ, sinh huỷ bể nhiệt vũ trụ trạng thái cân nhiệt động Trạng thái cân nhiệt động kết thúc tốc độ huỷ hạt cân với tốc độ giãn nở vũ trụ Khi vũ trụ giãn nở nguội đi, hạt nặng phân rã thành hạt khác nhẹ Do ngày cịn tồn hạt tan rã chậm bền Quá trình gắn liền với hình thành quark, hadron, lepton, proton electron Khoảng phút sau vụ nổ, neutron kết hợp với proton hình thành hạt nhân nặng gần bốn nghìn năm để tạo thành nguyên tử trung hoà Sau khoảng tỉ năm nữa, nguyên tố nguyên thuỷ gom lại lực hấp dẫn tạo thành thiên hà Các thiên hà mà quan sát ngày gồm nguyên tử, phân tử, neutrino, xạ điện từ, sóng hấp dẫn dạng vật chất chưa biết vật tco thời gian giới hạn < ω > (tco) = 2πεa/tco = ma(tco); < ω > (t) lượng trung bình cho axion xạ, gần với thang đo Hubble Ở ta dùng εa ≃ ± 0, 7; ς = ± 0, Trong mơ hình SMASH, với λσ = 10−13 − 10−9[2], axion từ đóng góp xạ chuỗi lớn so với đóng góp từ xếp lại Kết hợp hai đóng góp trên, axion vật chất tối phù hợp với giá trị quan sát được, sử dụng phương trình Ωa,realh2 + Ωa,sh2 ≃ 0, 12 nằm khoảng 3.1010GeV ≲ fa ≲ 1, 2.1011GeV, 50µeV ≲ ma ≲ 200µeV (3.35) Nếu đối xứng PQ bị phá vỡ trình lạm phát khơng khơi phục sau đó, trường hợp SMASH fa ≳ 4.1016GeV , xếp lại đóng góp phần lớn vào mật độ vật chất tối, chuỗi khơng hình thành sau kết thúc lạm phát Phương trình (3.29) tuyến tính theo góc θ điều kiện ban đầu θI dẫn tới  1,17 f  a 2.09GeV 0, (fa ≲ 3.1017GeV ), Ωa,real ≈ 10  35 a I h 10 GeV 1,54 (f ≳ 3.1017GeV )   a f 0, 001  126GeV (3.36) 1017GeV Với trường hợp SMASH, mật độ di tích xác tái tạo với phạm vi rộng fa θI chọn thích hợp làm điều kiện ban đầu Vũ trụ Sử dụng Ωa,real h2 (θI ) = 0, 12 ta thu     θI ∼ 0, 0006   2.09GeV 126Ge V a f 1010GeV a f −0,504 −0,77 (fa ≲ 3.1017GeV ), (3.37) (fa ≳ 3.1017GeV ) 1017GeV Như vậy, phần này, luận văn đưa thảo luận khả axion vật chất tối lạnh dựa phân tích tranh hình thành vũ trụ thơng qua nghiệm phương trình trường axion phụ thuộc vào tham số Hubble H giá trị mật độ tàn dư vật chất tối theo (3.28) Từ đưa ràng buộc số phân rã fa khối lượng axion ma hai trường hợp đối xứng PQ khối phục trước sau trình lạm phát Các bàn luận mở rộng hai trường hợp xem [20] KẾT LUẬN Như vậy, luận văn thạc sĩ "Axion mô hình SMASH" đưa kết luận sau: Thứ nhất, phép biến đổi điện tích phép nghịch đảo không gian nêu cụ thể trường hợp trường vô hướng, trường vector trường Dirac Từ xác định phép biến đổi CP trường rõ vi phạm CP lý thuyết điện yếu, đặc biệt vi phạm CP tương tác mạnh Đây vấn đề lớn cần phải giải SM Hướng giải khả thi bổ sung thêm đối xứng toàn cục PQ Thứ hai, với việc mở rộng SM đối xứng PQ, chế PQ giải vấn đề vi phạm CP tương tác mạnh cách tự nhiên hợp lý Tuy nhiên, với chế này, hạt không mang khối lượng giả Goldstone boson xuất hạt axion Thực tế axion có khối lượng khối lượng nhỏ ứng cử viên tiềm cho vật chất tối Để kiểm chứng điều tương tác axion với vật chất thông thường xem xét đòi hỏi tương tác phải nhỏ Từ lập luận chương 2, tương tác khối lượng axion phụ thuộc vào số phân rã fa Thứ ba, từ mơ hình axion tối thiểu, mơ hình tích hợp không giải vấn đề nguồn gốc vật chất tối mà đưa giải pháp cho năm vấn đề lớn lại SM: vấn đề vi phạm CP tương tác mạnh, vấn đề khối lượng neutrino, vấn đề lạm phát vấn đề bất đối xứng vật chất - phản vật chất Đó mơ hình SMASH Chương luận văn trình bày mở rộng mơ hình SMASH so với SM phổ khối lượng hạt mơ hình, đặc biệt hạt axion Khi xét tương tác axion với vật chất mô hình, ràng buộc giá trị fa dẫn tới tương tác nhỏ đồng thời đưa ràng buộc khối lượng axion, ứng với giá trị vật chất tối lạnh Cuối cùng, luận văn đưa thảo luận axion vật chất tối với trường hợp xảy thời kì sơ khai vũ trụ phương trình (3.29) đồng thời đưa ràng buộc số phân rã fa trường hợp Luận văn tập trung đề cập tới chủ đề axion vật chất tối mơ hình SMASH Tuy nhiên, vấn đề lạm phát khai thác kĩ để đưa phân tích xác đáng trường hợp nhắc tới phần 3.3.3 Do đó, tơi kiến nghị nghiên cứu sâu mơ hình SMASH, ứng dụng tượng luận khác để xác định rõ mối quan hệ axion với chúng, cụ thể tượng lạm phát Từ hồn thiện tranh thời kì đầu sơ khai vũ trụ rộng lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E Pécontal et al., 2009, Review of Observational Evidence for Dark Matter in the Universe and in upcoming searches for Dark Stars, European Astro- nomical Society Publications Series, 36, pp 113–126 [2] Guillermo Ballesteros et al., 2017, Standard Model—axion—seesaw—Higgs portal inflation Five problems of particle physics and cosmology solved in one stroke, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2017(08), p 001 [3] Hoàng Ngọc Long, 2010, Cơ sở Vật lý hạt bản, NXB Thống kê, pp 352– 354 [4] Roberto D Peccei, 2008, The strong CP problem and axions, in: Axions, Springer, pp 3–17 [5] Michael Dine, 2000, TASI lectures on the strong CP problem, arXiv preprint hep-ph/0011376 [6] RJ Crewther et al., 1979, Chiral estimate of the electric dipole moment of the neutron in quantum chromodynamics, Physics Letters B, 88(1-2), pp 123–127 [7] Roberto D Peccei and Helen R Quinn, 1977, CP conservation in the presence of pseudoparticles, Physical Review Letters, 38(25), p 1440 [8] Mark Srednicki, 1985, Axion couplings to matter:(I) CP-conserving parts, Nuclear Physics B, 260(3-4), pp 689–700 [9] AG Dias et al., 2014, The quest for an intermediate-scale accidental axion and further ALPs, Journal of High Energy Physics, 2014(6), pp 1–62 [10] Markus Kuster, Georg Raffelt, and Berta Beltrán, 2007, Axions: Theory, cosmology, and experimental searches, vol 741, Springer [11] Georg G Raffelt, 2008, Astrophysical axion bounds, in: Axions, Springer, pp 51–71 [12] TW Donnelly et al., 1978, Do axions exist?, Physical Review D, 18(5), p 1607 [13] Giovanni Grilli Di Cortona et al., 2016, The QCD axion, precisely, Journal of High Energy Physics, 2016(1), pp 1–37 [14] SL Cheng, CQ Geng, and W-T Ni, 1995, Axion-photon couplings in invisi- ble axion models, Physical Review D, 52(5), p 3132 [15] Steven Weinberg, 1978, A new light boson?, Physical Review Letters, 40(4), p 223 [16] Frank Wilczek, 1978, Problem of Strong P and T Invariance in the Presence of Instantons, Physical Review Letters, 40(5), p 279 [17] Graciela B Gelmini and Marco Roncadelli, 1981, Left-handed neutrino mass scale and spontaneously broken lepton number, Physics Letters B, 99(5), pp 411–415 [18] Y Chikashige, Rabindra N Mohapatra, and Roberto D Peccei, 1981, Are there real goldstone bosons associated with broken lepton number?, Physics Letters B, 98(4), pp 265–268 [19] Steen Hannestad and Georg G Raffelt, 2005, Constraining invisible neutrino decays with the cosmic microwave background, Physical Review D, 72(10), p 103514 [20] CB Adams et al., 2022, Axion Dark Matter, arXiv preprint arXiv:2203.14923 [21] Michael Shin, 1987, Light-neutrino masses and the strong CP problem, Physical Review Letters, 59(22), p 2515 PHỤ LỤC Mơ hình KSVZ [21] mơ hinh mở rộng từ mơ hình chuẩn, ta bổ sung thêm tam tuyến màu Q = (QL, QR) trường vô hướng ẩn σ Các hạt SM khơng có tích đối xứng PQ cịn trường vơ hướng tam tuyến bổ sung vào biến đổi sau iα iα/2 σ → e σ, QL → e Q L, QR → e−iα/2QR, Tương tác Yukawa vô hướng chuẩn hố bất biến nhóm U (1)PQ LY ⊂ yQLσQR + h.c., V (H, σ) = λ H(H †H − v2 )( |σ v2 ) v2 )2 + λ ( σ vσ 2)2 + 2λ (H † | | − σ H −σ | −2 2 Các tham số thoả mãn λH,σ > λ2 < λHλσ để đảm bảo thu cực tiểu H σ trung bình chân khơng < H H >= v2/2 < |σ|2 >= vσ2/2 † Vấn đề vi phạm CP tương tác mạnh giải cho giá trị thang PQ khoảng giá trị thường lựa chọn 109GeV ≲ fA ≲ 1012GeV , xuất phát từ ràng buộc vật lý thiên văn vũ trụ học (vật chất tối) Tuy nhiên, thật thú vị phạm vi trùng với phạm vi phá vỡ số lepton chế cầu bập bênh để giải thích độ nhỏ khối lượng neutrino hoạt động Các thang đo xác định thơng qua mơ hình mở rộng (ví dụ mơ hình KSVZ) cách thêm vào neutrino Majorana thuận tay phải NiR, i = 1, 2, Xét mơ hình KSVZ, tích PQ cho neutrino phân cực phải lưỡng tuyến lepton phân cực trái L, đơn tuyến lepton phân cực phải lR giống với tích PQ cho tam tuyến màu phân cực phải ngoại lai NR → e−iα/2NR; L → e−iα/2L; lR → e−iα/2lR Tương tác Yukawa bao gồm trường mang tích PQ có dạng LY = yQL σQR + Gij Li HljR + Fij Li H˜ NjR + yij N c i R σNjR + h.c với H lưỡng tuyến Higgs, H ma trận 3x3 đối ˜ = H ∗ Gij, Fij ma trận 3x3 yij xứng Trong trường hợp này, đối xứng PQ mở rộng đối xứng số lepton toàn cục U (1)L (bao gồm neutrino phân cực phải) bị phá vỡ tự phát σ có VEV với thang phá vỡ fa = v PQ Đồng thời vPQ thang cầu bập bênh Ta có ma trận khối lượng neutrino có dạng D! M M M Fv ! √ T Mν = = D F T v yv PQ R giải thích khối lượng nhỏ neutrino phân cực trái hoạt động khối lượng lớn neutrino đơn tuyến phân cực phải −1 T mν = −MD.MR MD = −FY −1 F v2 = 0, T vPQ 6eV 1012GeV vPQ FY −1 FT v10− Điều đáng ý với thang phá vỡ đối xứng trung bình fa = vPQ ∼ 1011÷12, mơ hình mở rộng đơn giản KSVZ SM giải thích đồng thời: ˜ • không quan sát vi phạm CP (qua số hạng tương tác a GG) • khối lượng nhỏ neutrino hoạt động • chất vật chất tối lạnh (axion) • bất đối xứng baryon vũ trụ • ổn định chân khơng điện yếu Mơ hình SMASH mơ hình phát triển thêm từ giải vấn đề [2] ... 27 AXION TRONG MÔ HÌNH SMASH 30 3.1 LÝ DO LỰA CHỌN MƠ HÌNH 30 3.2 MÔ HÌNH SMASH 32 3.3 AXION TRONG MƠ HÌNH SMASH 34 3.3.1 Tương tác axion .34 3.3.2 Khối lượng axion. .. từ hạt axion, nhà khoa học đưa nhiều mơ hình chứa axion mở rộng từ mơ hình chuẩn Mơ hình Standard Model - Axion seesaw - Higgs portal inflation (SMASH) , đề xuất [2] mơ hình xây dựng mơ hình chuẩn... chương Chương 3: "Axion mơ hình SMASH" giới thiệu mơ hình SMASH hạt axion mơ hình Đồng thời, chương phân tích axion, ứng cử viên vật chất tối tranh vũ trụ đưa ràng buộc khối lượng axion trường hợp