0055 vật chất tối trong một số mô hình 3 3 1 mở rộng luận văn tốt nghiệp

B®g IÁO D±C VÀđÀOTẠO VI»n HÀNLÂMKHOA vÀCƠNG HoC NGH»v n vIằnvêTLí TRAN ỡnH THM vêTCHATTOITRONG Mđ SOMễ T mRđng HỡnH 3-3-1 Chunngành: VªtlýlýthuyetvàVªtlýtốn Mãs o : 62440103 LUªn ÁNTIEN SĩvªTLÝ Ngihngdnkhoahoc GS.TS.ngVnSoa HNđi-2014 Lớicmn TụixinbytlũngbietnenGS.TS.ngVnSoaóhngdantụih octêp,nghiờncỏutrongsuotthigianlmnghiờncỏusinhvgiỳptụih o nthnhluênỏnny.XincmnGS.TS.HongNgocLon g , TS Phùng Văn Đong, TS Đo Thị Hương, TS Lê Tho Hu», ThS CaoHoàngN a m V i » n V ª t l ý v T S N g u y e n H u y T h ả o , T S H T h a n h Hựng TrngihocSphmHNđi2ógiỳpvcúnhieuúnggúpoiviketqucaluênỏn Tụix i n c ả m n T r n g Đ i h o c P h m V ă n Đ o n g n i t ô i đ a n g c ô n g tác có nhǎng ho trợ đ®ng viên can thiet thời gian làmnghiênc u s i n h X i n c ả m n V i » n V ª t lý l c s đ o t o đ ã t o đ i e u ki»nthuªnlợivàgiúpđơtơitrongqtrìnhlàmnghiêncáusinhvàbảo v»luªnán Cuoi cùng, tơi xin dành biet n sõu sac ti gia ỡnh ó đng viờn,nghđvhotrvụieukiằnvemoimtetụicútheyờntõmnghiờn cỏuvbovằthnhcụngluênỏnny Líicamđoan Luªná n n y l k e t q u ả m b ả n t h â n t ô i đ ã t h ự c h i » n t r o n g t h i g i a n lm nghiờn cỏu sinh ti ViằnVêtlý C the, chng mđt phan tőngquangiớithi»unh ǎng van đ ecơ s ởcó liên quanennđi dung cal uênỏn.Trongchnghaitụiósdngketqunghiờncỏumtụióthchiằn cựng vi thay hng dan GS TS Đ°ng Văn Soa GS TS HoàngNgoc Long Chương ba sả dụng ket nghiên cáu với TS.PhùngVă n Đ o n g V i » n V ª t lýv đ o n g n g h i » p l T S H T h an h Hù ng TrườngĐại hocSphmHNđi2.Chngbonlbiằn luênýnghavêtl ýdatrờncỏcket quónghiờncỏu Cuoi cựng tụi xin cam oan khȁng định rang, cơng trìnhnghiên cáu riêng tơi Các ket có luªn án"Vªtchat toitrong m®t so mơ hình 3-3-1 mở r®ng" ket mi, khụng trựng lpvibatkluênỏnhaycụngtrỡnhnoócụngbo HNđi,ngy30thỏng4nm2014 Tỏcgiluênỏn TranỡnhThỏm Mncl n c Líicảmơn ii Líicamđoan iii Cáckýhi»uchung vi Danhsáchbảng Danhsáchhìnhvẽ vii viii Mðđau 1 Vªtchattoivàsfimðrëngcủamơhìnhchuan Axiont r o n g m h ì n h - - v t h f i c n g h i » m t ì m k i e m 15 2.1 Axiont r o n g m ô h ì n h P e c c e i - Q u i n n .15 2.1.1 Vanđestrong-CP 16 2.1.2 ĐoixángPeccei-Quinn, bảotoàn CPvàsựxuat hi»naxion .27 2.2 Axiontrongmơhình3-3-1vớineutrinophâncựcphải 32 2.2.1 Tőng quanve mơhình .32 2.2.2 ĐoixángPec cei -Qu inn vàax io n .35 2.2.3 Qtrìnhrãcủaaxionthànhhaiphoton 37 2.3 Tietdi»ntánxạcủaqtrình chuyen hóa photonaxiontrongtrườngđi»ntàngồi 38 2.3.1 Yeutomatrªn 38 2.3.2 Sực h u y e n h ó a t ro ng đ i » n t r n g t ĩn h .40 2.3.3 Sựchuyenhóatrongtàtrườngtĩnh .42 2.3.4 Sựchuyenhóatrongongdansóng .45 2.4 Tómtatketquả 47 Vªtchattoitrongmơhình3-3-1-1vàthficnghi»mtìm kiem 50 3.1 Mơhình3-3-1-1 50 3.1.1 Fermiontrunghòavàcáchạtleptonsai 50 3.1.2 Đoixángchuȁn 3-3-1-1vàW-parity 55 3.1.3 Thevôhướngvàkhoilượng 59 3.2 Vªtchattoivàthựcnghi»mtìmkiem 66 3.2.1 Mêtđ t n d c ab o so n chu ȁn X 67 68 3.2.2 Mêt đ t n d c ủ a f e r m i o n t r u n g h ò a N R 70 3.2.3 Thựcnghi»mtìmkiemvªtchattoiN R 3.3 Tómtatketquả 72 Ket luªn 4.1 Cácketquảchínhcủaluªnán 4.2 Cáchướngnghiêncáutieptheo 74 74 75 Danhsáchcáccôngbocủatácgiả 79 Tàili»uthamkhảo 80 Phnlnc 89 AT ì m yeutomatrªn 90 B KiemtracácdịthưíngU(1)N 92 C NguongoccủaW-parity 95 Cáckýhi»uchung Trongluªnánnàytơisảdụngcáckíhi»usau: Tên Vªtchattoi(DarkMatter) Mơhìnhchuȁn(StandardModel) Liênhợpđi»ntích-Chȁnlẻ(Chargeconjugation-Parity) CPtrongtươngtácmạnh Máyg i a t o c h a d r o n l n ( L a r g e H a d r o n C o l l i d e r ) TrungtâmnghiêncáuhạtnhânChâuÂu(Consei lEuropéenpourlaRechercheNucléaire) Sacđ®nglựchoclượngtả(QuantumChromodynamics) ChȁnlẻWh a y chȁnlẻlepton Mơhìnhchuȁnsiêuđoixángtoithieu (MinimalSupersymmetricStandardModel) Viettat DM SM CP Strong-CP LHC CERN QCD W-parity MSSM Danhsáchbảng 2.1 Sựphụthu®ccủabe r®ng rãΓvà thời gian songτcủaaxiontheokhoilượngcủanó 38 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 TíchLc a cácđatuyentrongmơhình 52 Soleptoncủacáchạttrongmơhình 53 TíchBc a cácđatuyentrongmơhình 54 Cácđatuyentrongmơhình3-3-1-1vớitíchNt n g 56 R-paritycủacáchạttrongmơhình3-3-1-1gomhailoại làcáchạtleptonsaivàcáchạtthơngthường 58 Danhsáchhìnhvẽ 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 Tiet di»n tán xạ tồn phan (cm 2) q trình chuyenhóa photon thành axion đi»n trường tĩnh vớixungl ợ n g q = −4÷10 −3eV.Đ o t h ị t r ê n v ě v i 300 điemvàđothịdướivěvới3000điem 43 Tiet di»n tán xạ toàn phan (cm 2) q trình chuyenhóaphotonthànhaxiontrongtàtrườngtĩnhángvớixunglư ợngq=10 −4÷10−3eV.Đothịtrênvěvới300điemvà đothịdướivěvới3000điem 46 Tiet di»n tán xạ toàn phan (cm 2) q trình chuyenhóap h o t o n t h n h a x i o n t r o n g o n g d a n s ó ngvớixung lượngq=10−5÷10−4eV 47 CácđónggópchínhchoqtrìnhhủyX t h n h W +W− 67 CácđónggópchínhchoqtrìnhhủycủaN R 68 Mðđau Lýdochonđetài Trong nhieu thªpkqua, vi»c tìm kiem hạt trongvªtlý hạtcơ thu hút rat nhieu nhàvªtlý, nham tìm hieu giảithíchcautrúccũngnhưbảnchatcủaVũtrụ.Nhǎngthànhcơngvecơngngh» quansátcủathek21 đem lại cho nhǎng hieu bietsâu hơn, thực chat van m®t phan rat nhỏ đe hieu chatcủaVũtrụ.Theothực nghi»mquansáthi»nnay,Vũtrụhi»ntạicháa68.3%năng lượng toi,26.8%vªtchat toi (Dark Matter DM), có4.9%l v ª t ch a t t h n g t h n g ( v ª t ch at m c h ú n g t a q u a n s t đ ợ c ) [1] Trên thực te có hai quan ni»m ve DM Dạng thá nhat DM đượctạo tà hạtvªtchat thơng thường, goi chúng làvªtchattoidạngbaryonic(baryonicDM).ĐoitượngchủyeucủaDMdạngnày ngơi khơng phát bác xạ trơi khơng gian Vũ trụ.Cácngơisaonàykhơngcósựliênh»vớih»thongcácsaotrongVũtrụ,chúngđượcgoi làMACHO(Massiveastrophysicalcompacthaloobject).Các viên cho dạng DM nơtron hay ho đen.Dạng thá hai DM dạngvªtchat khơng bat nguon tà dạngvªtchat thơng thường, chúng goi non-baryonic DM Các viêncho non-baryonic DM cho hạt WIMPs (weakly interactingmassiveparticles),làcáchạtcókhoilượngnhưngtươngtácratyeuv ớivªtchat thơng thường (các hạt có tương tác hap dan mà khơng cócác tương tác khác) Các nhà thiên văn hoc chủ yeu nghiên cáu ángcảviêncủaDMlàbaryonicDM,trongkhiđócácnhàvªtlý hạt bảnthìtìmkiemDMlàcác hạt WIMPs Trong luªn án này, chúng tơitªptrungnghiêncáuDMdựatrênquanđiemcủavªtlýhạtcơbản Trên quan điem củavªtlý hạt bản, hạt DM hạt trunghịa,khơng bị rã ho°cthờigiansong chúng phải đủ lớn (tác làthờigiansongcủaDMphảilớnhơntuőicủaVũtrụ).Hi»ntại,cáchạt WIMPschactỡmthaytrongcỏcmỏygiatocvcngchacúbangchỏngnocho taxỏcnhcỏcthụngtinvespincngnhkhoilngcachỳng.Chớnhvỡvêy,nghiờ ncỏubnchatcaDMvtỡmkiemchỳnglmđttrongnhngvaneóvangc cỏc nh khoa hoc trờn thegii,keccỏcnhvêtlýlýthuyetvthcnghiằmquantõm M°t khác, mơ hình lý thuyet mơ tả tương tác hạt bảntrongVũtrụđượcthựcnghi»mủngh®nhathi»nnaylàmơhìnhchuȁn(Standar dModel-SM).Tuynhiên,trongSMkhơngtontạiángcảviênthỏa mãn tính chat DM.Dođó,chúngtacan phảimởr®ngSMđechúng xuat hi»n viên DM Do tính chat ve spin DMlàkhơngxácđịnhvàphőkhoilượngcủaDMlàr®ng nên cảviêncủaDMlàratphongphú.Chúngcóthelàhạtvơhướng,hạtvéctơh ayhạtfermion Chúng tơi muon nhan mạnh, mở r®ng SM vùng khơng giantham so xuat hi»n mơ hình sě r®ng Tuy nhiên, dựa vào soliằuthcnghiằmvemêtđvthigiansongcaDM,chỳngtụicúthegii hn c vựng khụng gian tham so xuat hiằn mụ hỡnh Davovựngkhụnggianthamsovatỡmcvcỏctngtỏccachỳng,chỳngtụ icúthedoỏncvekhnngtỡmkiemDMmđtcỏchtrctiephocgiỏntiep Vỡv ê y , t ô i c h on đ e t i " V ª t chatt oi t r o n g m ® t s o m h ì n h −3−1m r®ng" đe nghiên cáu ve chat khả tìm kiem DM Mơ hìnhmởr®ngchúngtơinghiêncáulàcácmơhìnhSU(3)C⊗SU(3)L⊗U(1)Xcót hêmcácđoixángmới Mncđíchnghiêncfíu • Khảo sát vai trị DM axion mơ hình 3-3-1 với neutrinophân cực phải Nghiên cáu tương tác axion với photon trongtrường đi»n tà sở đưa phương án có lợi nhatđethuaxiontrongthựcnghi»m • Xây dựng mơ hình 3-3-1-1 khảo sát vai trị DM fermion trunghịacháatrongmơhình