LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi muốn bày tỏ sự biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS Phùng Văn Đồng và GS TS Hoàng Ngọc Long, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, quan tâm và tạo mọi điều kiện thu[.]
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, muốn bày tỏ biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Phùng Văn Đồng GS TS Hoàng Ngọc Long, người thầy tận tình hướng dẫn, quan tâm tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian làm NCS Kế đến, may mắn nhận hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình từ GS TS Đặng Văn Soa TS Lê Thọ Huệ cơng trình nghiên cứu đồng ý cho sử dụng công bố để viết bảo vệ luận án Tơi thật lịng trân trọng điều Bên cạnh đó, giúp đỡ, chia lời thăm hỏi, động viên chân thành TS Đỗ Thị Hương, thành viên, cựu NCS NCS nhóm lý thuyết trường Thầy Hồng Ngọc Long ln nguồn tiếp sức đáng quý cho năm vừa qua Tôi xin cảm ơn Trung tâm Vật lý Lý thuyết Khoa sau Đại học Viện Vật lýViện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành thủ tục hành bảo vệ luận án Tôi gửi lời cảm ơn đến tập thể môn Vật lý, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Cần Thơ tạo điều kiện động viên tơi q trình học tập, nghiên cứu Cuối cùng, tơi biết ơn tất người thân gia đình yêu thương ủng hộ vật chất lẫn tinh thần suốt thời gian học tập Hà Nội, ngày 04 tháng năm 2017 Nguyễn Thị Kim Ngân LỜI CAM ĐOAN Tôi xin đảm bảo luận án gồm kết mà thân tơi đóng góp thời gian làm nghiên cứu sinh Cụ thể, phần mở đầu giới thiệu hai mơ hình xem xét luận án Trong chương chương hai sử dụng phần kết nghiên cứu thầy hướng dẫn TS Phùng Văn Đồng đồng GS TS Đặng Văn Soa Chương ba kết thực cơng trình nghiên cứu thầy hướng dẫn GS TS Hoàng Ngọc Long hai đồng TS Lê Thọ Huệ GS TS A B Arbuzov Phần kết luận tóm tắt kết luận án đóng góp Cuối cùng, tơi xin khẳng định kết có luận án “Mơ hình 3-3-1 đơn giản mơ hình 3-2-2-1 cho vật chất tối khối lượng neutrino” kết không trùng lặp với kết luận án cơng trình có Nguyễn Thị Kim Ngân i Mục lục Các ký hiệu chung iv Danh sách bảng v Danh sách hình vẽ vi Phần mở đầu Chương Mơ hình 3-3-1 đơn giản 12 1.1 Cấu trúc hạt mơ hình 12 1.2 Phần vô hướng 15 1.3 Phần trường chuẩn 17 1.4 Khối lượng fermion tính bền proton 19 1.5 Dòng trung hòa thay đổi vị (FCNC) 23 Chương Vô hướng trơ vật chất tối 26 2.1 Mơ hình 3-3-1 đơn giản với tam tuyến trơ ρ 27 2.2 Mơ hình 3-3-1 đơn giản với trường lặp lại η 28 2.3 Mơ hình 3-3-1 đơn giản với trường lặp χ 30 2.4 Mơ hình 3-3-1 với lục tuyến vơ hướng trơ 31 2.5 2.4.1 Lục tuyến vô hướng trơ X = 32 2.4.2 Lục tuyến vô hướng trơ X = 34 Ước lượng quan sát vật chất tối 37 Chương Mơ hình SU(2)1 ⊗ SU(2)2 ⊗ U(1)Y với tách biệt vị lepton (LNU) 44 ii 3.1 3.2 3.3 3.4 Tóm tắt mơ hình 44 3.1.1 Khối lương fermion mang điện 46 3.1.2 Khối lượng lepton trung hòa 50 3.1.3 Khối lượng boson chuẩn 57 3.1.4 Boson chuẩn trung hòa 57 3.1.5 Boson chuẩn mang điện 59 Dòng 61 3.2.1 Dòng trung hòa 61 3.2.2 Dòng mang điện 64 Phần Higgs 64 3.3.1 Ma trận bình phương khối lượng Higgs boson 66 3.3.2 Phổ vật lý tương tác boson Higgs 66 3.3.3 Boson Higgs mang điện đơn với δ ± thêm vào 72 Hiện tượng luận 75 3.4.1 Đặc điểm khối lượng tham số trộn hạt 75 3.4.2 Tìm kiếm fermion máy gia tốc 77 3.4.3 Tìm kiếm boson Higgs máy gia tốc 79 3.4.4 Nhận xét vật chất tối 82 Phần kết luận 84 DANH SÁCH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 86 Phụ Lục A Phụ Lục B Khối lượng tham số trộn lepton mang điện 87 Khối lượng neutrino từ bổ đính vịng 89 iii Tài liệu tham khảo 90 iv Các ký hiệu chung Trong luận văn sử dụng ký hiệu sau: Tên Viết tắt Mơ hình chuẩn (Standard Model) MHC Hạt có khối lượng tương tác yếu WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) Đối xứng CP (Charge-conjugation and Parity symmetry) CP Đối xứng CP tương tác mạnh Strong-CP Mơ hình 3-3-1 tối thiểu (Minimal 3-3-1 Model) M331M Mơ hình 3-3-1 đơn giản (Simple 3-3-1 Model) S331M Mơ hình 3-3-1 rút gọn tối thiểu (Reduced Minimal 3-3-1 Model) RM331M Dòng trung hòa thay đổi vị (Flavor-Changing Neutral Curent) FCNC Hạt trơ nhẹ (Lightest Inert Particle) LIP Máy gia tốc hadron lớn (Large Hadron Collider) LHC Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu CERN (Conseil Européen pour la Researche Nucléair) Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics) QCD Thuyết thống lớn (Grand Unified Theory) GUT Vật chất tối (Dark Matter) DM Sự tách biệt vị lepton (Lepton-flavor Non-Universality) LNU Mơ hình với hai lưỡng tuyến Higgs (Two-Higgs-Doublet Model) 2HDM v Danh sách bảng 3.1 Tương tác boson Z với fermion, ` = e, µ, τ ∆e = ∆d = 63 3.2 Tương tác boson W với fermion 65 3.3 Các tương tác h01 , với fi = ei , ui , di ; qi = ui , di (i = 1, 2, 3); q1 = u, d; Q1 = U1 , D1 ; F1 = E1 , U1 , D1 70 3.4 Tương tác boson Higgs mang điện đơn h+ Tương tác ± h± khác với tương tác h1 cách thay: ± ± ± cξ h± → sξ h2 sξ h1 → −cξ h2 74 3.5 + Tương tác h+ với boson chuẩn Xung lượng h1 h01 p+ p0 75 3.6 Tương tác đáng kể xảy h02,3 với fermion boson Higgs 79 3.7 Tương tác boson Higgs trung hòa với CP lẻ, với pa , p+ p0 xung lượng vào , h+ 1,2 , h1 81 vi Danh sách hình vẽ 2.1 Đóng góp q trình hủy Hσ H1± thơng qua hạt trung gian boson Higgs chúng nhẹ hạt mơ hình 3-3-1 đơn giản Ngồi ra, cịn hai đóng góp kênh u khơng liệt kê hình hai kênh suy từ kênh t tương ứng 39 2.2 Đóng góp q trình hủy Hσ H1± thông qua hạt trung gian boson chuẩn chúng nhẹ hạt mô hình 3-3-1 đơn giản Ngồi ra, cịn đóng góp kênh u khơng liệt kê hình kênh suy từ giản đồ kênh t tương ứng 42 2.3 Đóng góp tán xạ Hσ -quark 43 3.1 Bổ đính vịng cho khối lượng neutrino hiệu dụng 52 Phần mở đầu Mơ hình chuẩn (MHC) thành cơng việc dự đốn xác nhiều kết thực nghiệm đo Thành cơng MHC kể đến việc tiên đoán boson W Z, gluon, quark c (charm), quark t (top) quark b (bottom) trước chúng thực nghiệm quan sát thấy Trong số đó, đáng ý tiên đốn hạt Higgs MHC máy gia tốc lượng cao LHC (Large Hadron Colidder) CERN phát khoảng thời gian cuối năm 2012 với khối lượng đo vào khoảng 125 GeV [1, 2] Đây hạt cuối tiên đoán MHC Tuy nhiên, đến nhiều liệu thực nghiệm nằm ngồi dự đốn MHC, điển hình như: • Tại quark t (top) có khối lượng nặng bất thường? MHC dự đoán khối lượng quark t khoảng 10 GeV khác với kết thực nghiệm xác định máy Tevatron Fermilab vào năm 1995 cho thấy quark t có khối lượng 173 GeV • Vũ trụ sớm hệ lượng tử có số hạt số phản hạt, vũ trụ ngày bao gồm vật chất cấu thành từ hạt, khơng có chứng cho tồn phản vật chất cấu thành từ phản hạt, gọi bất đối xứng vật chất - phản vật chất hay bất đối xứng baryon [3] • Mơ hình chuẩn dự đốn khối lượng neutrino triệt tiêu, khơng có thành phần phải số lepton ln bảo tồn Tuy nhiên, thực nghiệm với neutrino khí quyển, neutrino mặt trời, neutrino từ máy gia tốc lò phản ứng hạt nhân gần hai mươi năm qua khẳng định chúng dao động (chuyển vị) quãng đường đủ lớn, nghĩa neutrino phải có khối lượng khác không (dù nhỏ, eV) trộn lẫn Có ba vị neutrino trộn lẫn chúng tham số ba góc Euler ba pha vi phạm CP (1 pha Dirac pha Majorana) Số liệu thực nghiệm ngày cho hiệu bình phương khối lượng góc trộn neutrino với giá trị xác định [3] Neutrino hệ 2, hệ trộn lớn, hệ trộn nhỏ, khác không, điều hoàn toàn khác trộn quark (tất trộn nhỏ) Thực nghiệm neutrino cho xác định pha CP Dirac khác khơng, hồn tồn không cho xác định pha Majorana Như vậy, neutrino fermion Dirac hay Majorana? Làm để sinh khối lượng neutrino nhỏ tự nhiên, phù hợp với thực nghiệm? Tại vị lepton quark trộn với góc trộn hồn tồn xác định? Nếu tồn neutrino phải νaR , khơng màu, isospin siêu tích yếu khơng, khơng có tương tác chuẩn, gọi hạt trơ (sterile) Tuy vậy, có ý nghĩa việc sinh khối lượng neutrino bất đối xứng số baryon vũ trụ Thực vậy, thêm νaR , neutrino nhận khối lượng Dirac tương tác với Higgs, mD ∼ v (thang điện yếu), tương tự fermion mang điện Vì νaR đơn tuyến mơ hình chuẩn, có khối lượng Majorana lớn, mR , vi phạm số lepton Kết quả, neutrino quan sát ∼ νaL nhận khối lượng Majorana thông qua chế seesaw [4, 5, 6], mL = −(mD )2 /mR , nhỏ tự nhiên điều kiện mR mD Như lý thuyết thống lớn SO(10) [7, 8], khối lượng Dirac tỷ lệ thang điện yếu, mD ∼ 100 GeV Khối lượng neutrino quan sát mL ∼ eV ,