Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng những số liệu và kết quả nghiên cứu thu được trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho vi[.]
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu thu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày 18 tháng 06 năm 2018 Học viên Nguyễn Duy Đạo Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh sách thuật ngữ viết tắt Mở đầu Giới thiệu mơ hình chuẩn 1.1 Sắp xếp hạt mơ hình 1.2 Khối lượng cho trường chuẩn 10 1.3 Tương tác W boson với trường vật chất 12 Rã W boson mơ hình G(2-2-1) với quark ngoại lai tựa vector 14 2.1 Giới thiệu mơ hình 14 2.2 Khối lượng cho W boson 21 2.3 Tương tác W boson với fermion 24 2.3.1 Tương tác W boson chuẩn mang điện với quark 2.3.2 26 Tương tác W boson chuẩn mang điện với lepton 27 2.4 Rã W boson mô hình G(2-2-1) với quark ngoại lai tựa vector 28 2.4.1 Các kênh rã biết W boson 28 2.4.2 Rã W boson mơ hình G(2-2-1) với quark ngoại lai tựa vector Một số hiệu ứng 30 34 3.1 Bề rông rã W boson 34 3.2 Sự sinh rã W boson chuẩn thực nghiệm 35 Kết luận 38 Danh sách thuật ngữ viết tắt Viết tắt Thuật ngữ u up d down c charm s strange t top b bottom Br Branching ratio FCNC Flavor Changing Neutral Current CERN European Organization for Nuclear Research GWS Glashow-Weinberg-Salam LHC Large Hadron Collider QCD Quantum chromodynamics SM Standard Model SSB Spontaneous Symmetry Breaking VEV Vacuum Expectation Value Mở đầu Lý chọn đề tài Việc tìm kiếm liên tục nguồn gốc chất vật chất tạo nhu cầu cấp thiết cơng cụ tốn học thực nghiệm cách xác Nhu cầu thúc đẩy tiến đáng kể khuôn khổ lý thuyết sở phương pháp thực nghiệm kỷ qua Các cột mốc vật lý hạt đại đặt lí thuyết trường điện từ Maxwell, mở đường cho phát triển lý thuyết trường lượng tử thí nghiệm Rutherford, qua thí nghiệm tán xạ cách mạng hóa phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật chất Kể từ đó, lĩnh vực vật lý hạt nở rộ, đẩy giới hạn việc mở rộng kiến thức nhanh chóng tăng cường nhu cầu cơng suất tính xác cơng cụ khoa học Con đường khoa học ấn tượng dẫn đến việc xây dựng mơ hình chuẩn (Stardard Model SM) vật lý hạt, lý thuyết đơn giản tao nhã dựa khung lý thuyết trường lượng tử tương đối tính SM giải thích tất liệu thực nghiệm với độ xác cao Gần trao vương miện khám phá boson vô hướng (boson Higgs) - phần cuối tốn thiếu Do câu chuyện vật lý hạt đại tóm tắt cách nói việc tìm kiếm đơn giản cuối làm nảy sinh tiến khoa học đến phức tạp đáng ngạc nhiên Mặc dù mô tả liệu thực nghiệm với độ xác cao, cơng thức SM lý thuyết cuối vật chất Nó khơng cung cấp mô tả trọng lực không giải thích số quan sát thiên văn, chẳng hạn có mặt vật chất tối Tại có ba hệ fermion? Tại top quark nặng bất thường? Tại có phân bậc khối lượng hệ? Tại có gián đoạn điện tích nguyên tố quan sát nay? Một nhược điểm lớn mô hình chuẩn chúng khơng thể giải thích vấn đề khối lượng trộn lẫn neutrino Các thực nghiệm dao động neutrino khẳng định neutrino phải có khối lượng khác khơng có trộn lẫn hệ khác Vì thế, nhà lý thuyết hạt tiếp tục xây dựng mơ hình mở rộng mơ hình chuẩn nhằm giải thích hợp lý vấn đề trên, đồng thời dự đoán tượng vật lý đặc trưng cho mơ hình Từ dẫn đến đời mơ hình chuẩn mở rộng mơ hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu (MSSM), mơ hình 3-3-1, 3-3-1-1 hay G(2-21) Trong bốn thập kỷ qua, nỗ lực lớn đầu tư vào mở rộng SM, thông qua việc kiểm tra tính xác dự đốn SM phát triển lý thuyết Phát gần boson Higgs củng cố ý nghĩa SM đặt ràng buộc nghiêm ngặt nhiều mơ hình vật lý Dấu hiệu thực nghiệm mơ hình vùng khơng gian tham số cho phép tìm kiếm rộng rãi phịng thí nghiệm vật lý hạt toàn giới Nguồn liệu thực nghiệm mở rộng cho tìm kiếm cung cấp máy va chạm hadron lớn CERN - Large Hadron Collider (LHC) với bốn máy dò hạt lớn Máy khơng có đối thủ lượng cường độ, có tiềm dẫn đầu giới việc tìm tượng vật lý Trong ba năm hoạt động, tháng 11 năm 2009 tháng 12 năm 2012, LHC máy dị tạo nhiều kết đáng kể Để săn hiệu ứng vật lý mới, người ta đầu tư máy gia tốc lượng cao LHC nói Tuy nhiên việc cải tiến để lượng va chạm ngày lớn làm tăng hiệu ứng vật lý Đầu năm 2018, hàng loạt dự án săn tìm quark ngoại lai tựa vector thông qua tán xạ proton-proton quan tâm đặc biệt [6, 7] Mơ hình G(2-2-1) xây dựng dựa nhóm chuẩn SU (3)C ⊗ SU (2)1 ⊗ SU (2)2 ⊗ U (1)X nghiên cứu nhiều tín hiệu vật lý thực nghiệm quan tâm tín hiệu hạt boson chuẩn hạt Higgs [3] Ngồi ra, mơ hình cịn thêm vào lưỡng tuyến quark có thành phần trái phải biến đổi theo loại biểu diễn nhóm SU (2)2 , nên gọi quark ngoại lai tựa vector - đối tượng quan tâm Do mơ hình có thêm nhiều tương tác khơng xuất mơ hình chuẩn Mơ hình G(2-2-1) chưa nghiên cứu đầy đủ đặc điểm tương tác Trong có trường boson chuẩn mang điện cần nghiên cứu chi tiết hơn, sinh khối lượng cho trường boson, tương tác chúng với fermion Higgs cần làm rõ Trên sở này, ta so sánh đặc tính boson với liệu thực nghiệm tìm đỉnh tương tác cho tín hiệu vật lý có khả phát Việc trộn quark hệ thứ ba - bottom quark cho tín hiệu vào rã W boson Chính vậy, chúng tơi định chọn nghiên cứu đề tài: Rã W Boson mơ hình G(2-2-1) với quark ngoại lai tựa vector Mục đích nghiên cứu • Nghiên cứu tổng quan W boson mơ hình chuẩn • Hệ thống lại nghiên cứu mơ hình G(2-2-1) • Sinh khối lượng W boson rã W boson mơ hình G(2-2-1) • Một số hiệu ứng W Boson Đối tượng phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: Sự sinh khối lượng, đỉnh tương tác tương tác W boson với fermion , phân rã W boson • Phạm vi nghiên cứu: Mơ hình G(2-2-1) vật lý hạt Phương pháp nghiên cứu • Nghiên cứu lý thuyết, cụ thể sử dụng lý thuyết trường lượng tử, mơ hình chuẩn, lý thuyết nhóm số liệu thực nghiệm hạt • Sử dụng phần mềm hỗ trợ tính tốn Mathematica Chương Giới thiệu mơ hình chuẩn 1.1 Sắp xếp hạt mơ hình Lý thuyết hợp nhằm giải thích tất tượng vật lý hạt tính chất ba bốn tương tác số lượng nhỏ hạt gọi mơ hình chuẩn (SM) Tất hạt vật chất biết chia thành ba nhóm: lepton, quark boson chuẩn Các hạt tương tác với thông qua tương tác biết đến mô hình chuẩn - tương tác điện từ, tương tác yếu mạnh Tuy nhiên, mơ hình chuẩn chưa thuyết thống lực tự nhiên cách hoàn toàn, vắng mặt lực hấp dẫn Lepton: fermion có spin bán nguyên (spin ) coi hạt bản, khơng có cấu trúc bên trạng thái kích thích Lepton điển hình biết tới nhiều electron (e) neutrino electron (νe ) ) hạt sơ cấp thành phần vật chất Các quark kết Quark: ferminon có spin bán nguyên (spin hợp với tạo nên hạt tổ hợp gọi hadron meson Trong mơ hình chuẩn, fermion (cả quark lepton) fermion chiêu (chiral fermion) mà ferrmion xoắn trái phải biến đổi khác Do vậy, mơ hình chuẩn, fermion ban đầu khơng có khối lượng Do chúng nhận khối lượng sau phá vỡ đối xứng tự phát Các quark ngoại lai tựa vector (vector-like quark) có tính chất sau: trường xoắn trái phải biến đổi giống nhau, nên ban đầu chúng có khối lượng Boson chuẩn : nhóm hạt có spin - có nhiệm vụ thực tương tác hạt nên gọi hạt truyền tương tác Tương tác điện từ: diễn tả tương tác electron nguyên tử tương tác khác hai hạt mang điện Các hạt truyền tương tác photon (γ) khơng có khối lượng kết lực tương tác tầm xa Tương tác yếu: lực gây phân rã β hạt nhân Các lực truyền tương tác boson W ± , Z có khối lượng lớn tương tác tầm gần Tương tác mạnh: cố định hạt hadron meson tạo từ quark Nó liên kết nucleon bên hạt nhân Các lực truyền tương tác gluon (g) khơng có khối lượng Từ đây, chứng tỏ SM lý thuyết hiệu dụng phù hợp với thực nghiệm tảng toàn ngành vật lý hạt Bước ban đầu đến với SM Glashow tìm cách thống tương tác điện từ tương tác yếu vào năm 1960 Năm 1967, Weinberg Salam thêm chế Higgs vào lý thuyết điện yếu Glashow Kết xây dựng nên mơ hình chuẩn hồn chỉnh Mơ hình dựa nhóm chuẩn định xứ SU (3)c ⊗ SU (2)L ⊗ U (1)Y Ta biết nhóm SU (2)L ⊗ U (1)Y giải thích lý thuyết điện yếu Mặt khác, nhóm SU (3)c đưa để giải thích động lực học hạt quark cụ thể lực tương tác mạnh Mơ hình quark đề xuất Gell-Mann hoàn toàn độc lập với Zweig vào năm 1964 phân loại tồn hadron phù hợp ... mang điện với quark 2. 3 .2 26 Tương tác W boson chuẩn mang điện với lepton 27 2. 4 Rã W boson mơ hình G (2- 2- 1) với quark ngoại lai tựa vector ... 28 2. 4.1 Các kênh rã biết W boson 28 2. 4 .2 Rã W boson mơ hình G (2- 2- 1) với quark ngoại lai tựa vector Một số hiệu ứng 30 34 3.1 Bề rông rã W boson ... Boson mơ hình G (2- 2- 1) với quark ngoại lai tựa vector Mục đích nghiên cứu • Nghiên cứu tổng quan W boson mơ hình chuẩn • Hệ thống lại nghiên cứu mơ hình G (2- 2- 1) • Sinh khối lượng W boson rã W boson