luận văn thạc sĩ tìm vị trí góc bát phân của góc trộn lepton q23 với thí nghiệm hyper kamiokande và ảnh hưởng của nó đến phép đo vi phạm đối xứng cp

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHAN TỐ QUN TÌM VỊ TRÍ GĨC BÁT PHÂN CỦA GĨC TRỘN LEPTON θ_23 VỚI THÍ NGHIỆM HYPER-KAMIOKANDE VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN PHÉP ĐO VI PHẠM ĐỐI XỨNG CP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2021 n BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHAN TỐ QUN TÌM VỊ TRÍ GĨC BÁT PHÂN CỦA GĨC TRỘN LEPTON θ_23 VỚI THÍ NGHIỆM HYPER-KAMIOKANDE VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN PHÉP ĐO VI PHẠM ĐỐI XỨNG CP Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý toán Mã số: 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS Cao Văn Sơn PGS.TS Nguyễn Thị Hồng Vân HÀ NỘI - 2021 n i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu luận văn cơng trình nghiên cứu tơi thực hướng dẫn TS Cao Văn Sơn PGS TS Nguyễn Thị Hồng Vân Các kết quả, số liệu tơi làm việc xử lý kết nghiên cứu đảm bảo trung thực khách quan Đồng thời, kết có luận văn “Tìm vị trí góc bát phân góc trộn lepton θ23 với thí nghiệm Hyper-Kamiokande ảnh hưởng đến phép đo vi phạm đối xứng CP” kết không trùng lặp với nghiên cứu công bố trước Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Phan Tố Quyên n ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, muốn gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến TS Cao Văn Sơn PGS.TS Nguyễn Thị Hồng Vân thầy giáo cô giáo hướng dẫn thực đề tài luận văn Thầy cô người định hướng công việc, trau dồi cho kiến thức chuyên môn, kĩ nghiên cứu, tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn với kết tốt Tôi xin cảm ơn đến Học viện Khoa học Công nghệ tạo điều kiện hỗ trợ cơng việc hành để tơi hồn thành thủ tục bảo vệ thời hạn Tôi gửi lời cảm ơn đến Trung tâm Vật lý lý thuyết, Viện Vật lý giúp đỡ, tạo điều kiện môi trường làm việc thuận lợi cho suốt thời gian học tập làm việc Hà Nội Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Viện nghiên cứu Khoa học Giáo dục liên ngành (IFIRSE, ICISE, Việt Nam) nhóm Vật lý neutrino giúp đỡ suốt thời gian làm việc với nhóm Bên cạnh đó, tơi muốn gửi lời cảm ơn đến ThS Trần Văn Ngọc, ThS Ankur Nath tận tình dạy chia sẻ tơi vấn đề khó khăn học tập sống Cuối xin phép gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè ln quan tâm, giúp đỡ động viên suốt quãng đường học tập vừa qua n iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục từ viết tắt v Danh sách bảng vi Danh sách hình vẽ xi Mở đầu Chương TỔNG QUAN VỀ NEUTRINO 1.1 MƠ HÌNH CHUẨN VÀ NEUTRINO TRONG MƠ HÌNH CHUẨN 1.1.1 Giới thiệu Mơ hình chuẩn 1.1.2 Khối lượng neutrino Mơ hình chuẩn 10 1.1.3 Các tương tác neutrino Mơ hình chuẩn 13 1.2 DAO ĐỘNG NEUTRINO VÀ PHÉP ĐO CÁC THAM SỐ DAO ĐỘNG 16 1.2.1 Hiện tượng dao động neutrino phép đo tham số dao động 16 1.2.2 Tính chất góc trộn θ23 26 Chương THÍ NGHIỆM HYPER-KAMIOKANDE 30 2.1 GIỚI THIỆU THÍ NGHIỆM HYPER-KAMIOKANDE 30 2.1.1 Đường chùm tia neutrino cho thí nghiệm Hyper-Kamiokande 31 2.1.2 Bộ dị thí nghiệm Hyper-Kamiokande 32 2.1.3 Tiềm vật lý thí nghiệm Hyper-Kamiokande 35 n iv 2.2 MƠ PHỎNG THÍ NGHIỆM HYPER-KAMIOKANDE VỚI GLoBES 36 2.2.1 Phần mềm mô GLoBES 36 2.2.2 Chi tiết thiếp lập mơ thí nghiệm Hyper-Kamiokande 38 2.2.3 Phổ tỉ lệ kiện từ mô GLoBES 43 2.2.4 Độ nhạy phép đo sin2 θ23 − ∆m232 từ mơ GLoBES 45 2.2.5 Độ xác sin2 θ23 ∆m232 từ mô GLoBES 46 Chương ĐỘ NHẠY GÓC TRỘN θ23 TRONG THÍ NGHIỆM HYPER-KAMIOKANDE 48 3.1 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHẠY PHÉP ĐO θ23 VÀ ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ ĐẶC TRƯNG 48 3.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo góc bát phân θ23 48 3.1.2 Đóng góp mẫu số liệu đến độ nhạy góc bát phân θ23 56 3.1.3 Đại lượng vật lý đặc trưng cho độ nhạy góc bát phân θ23 58 3.2 ẢNH HƯỞNG ĐỘ NHẠY GÓC TRỘN θ23 ĐẾN ĐỘ NHẠY PHÉP ĐO VI PHẠM ĐỐI XỨNG CP TRONG DAO ĐỘNG NEUTRINO 69 3.2.1 Độ nhạy phép đo vi phạm đối xứng CP 69 3.2.2 Đại lượng mô tả độ nhạy phép đo vi phạm đối xứng CP 72 KẾT LUẬN 77 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 85 n luan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cp v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên AEDL Abstract Experiment Definition Language background Tín hiệu nhiễu CP Đối xứng liên hợp điện tích đảo ngược chẵn lẻ CPV Vi phạm đối xứng CP DUNE Deep Underground Neutrino Experiment GLoBES Phần mềm mơ thí nghiệm dao động đường sở dài Hyper-K Thí nghiệm Hyper-Kamiokande IH Phân bậc khối lượng nghịch đảo MC Mô Monte Carlo MH Sự phân bậc khối lượng neutrino NH Phân bậc khối lượng thuận ν-mode Chế độ lấy số liệu với nguồn neutrino vị muon ν¯-mode Chế độ lấy số liệu với nguồn phản neutrino vị muon POT Số proton bắn lên bia để tạo nguồn neutrino signal Tín hiệu gốc SM Mơ hình chuẩn luan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cp n luan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cp vi DANH SÁCH BẢNG 1.1 Sắp xếp hạt fermion theo hệ 1.2 Giá trị tham số dao động cập nhật gần với trường hợp phân bậc khối lượng thuận (NH) [41] 25 2.1 Thông số kĩ thuật thiết lập thí nghiệm Hyper-K 40 2.2 Hiệu suất phát (%) cho tín hiệu gốc tín hiệu nhiễu mẫu số liệu xuất Xét trường hợp phân bậc khối lượng thuận δCP = 41 2.3 Hiệu suất phát (%) cho tín hiệu gốc tín hiệu nhiễu mẫu số liệu biến Xét trường hợp phân bậc khối lượng thuận δCP = 42 2.4 Giá trị tham số dao động sử dụng để làm phù hợp mơ GLoBES mơ MC thí nghiệm Hyper-K 42 2.5 Tỉ lệ kiện νe /νe cho kênh loại tương tác thu từ GLoBES mơ MC thí nghiệm Hyper-K 44 2.6 Tỉ lệ kiện νµ /νµ cho kênh loại tương tác thu từ GLoBES mô MC thí nghiệm Hyper-K 44 3.1 Góc bát phân θ23 xác định độ tin cậy 3σ 55 3.2 Các giá trị phù hợp tốt cho tham số dao động T2K [50].66 3.3 Số kiện từ liệu mô MC liệu thực T2K [50] 67 luan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cp n luan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cp vii DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Các hạt SM 1.2 Xác suất dao động suy biến sin2 θ23 − δCP Hình trái mơ tả xác suất biến νµ → − νµ , hình phải mơ tả xác suất xuất νµ → − νe 28 2.1 Kết cấu chung thí nghiệm Hyper-K 30 2.2 Cấu hình dị xa thí nghiệm Hyper-K [4] 34 2.3 Cấu hình chương trình GLoBES [43] 36 2.4 Thông lượng neutrino sử dụng mơ thí nghiệm Hyper-K cho ν-mode (trái) ν¯-mode (phải) 39 2.5 Phổ tỉ lệ kiện từ mơ MC (HK TDR) thí nghiệm Hyper-K GLoBES mẫu số liệu xuất νe /¯ νe cho ν-mode (trái) ν¯-mode (phải) 43 2.6 Phổ tỉ lệ kiện từ mô MC thí nghiệm Hyper-K GLoBES mẫu số liệu biến νµ /¯ νµ cho ν-mode (trái) ν¯-mode (phải) 44 2.7 Vùng giá trị cho phép độ tin cậy 90% phép đo sin2 θ23 − ∆m232 thu từ mô GLoBES mơ MC thí nghiệm Hyper-K Hình trái cho thí nghiệm Hyper-K hình phải cho kết hợp Hyper-K với thí nghiệm lị phản ứng hạt nhân (reactor) 46 luan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cp n luan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cp viii 2.8 Độ xác θ23 ∆m232 thí nghiệm Hyper-K ràng buộc reactor xét độ tin cậy 1σ phân bậc khối lượng thuận ∆m232 > 46 3.1 Sự phân bố giá trị χ2 tương ứng với cặp giá trị thật sin2 θ23 (True) giá trị kiểm tra sin2 θ23 (Test, Global) (trái) vùng giá trị cho phép sin2 θ23 với độ tin cậy 3σ (phải) thí nghiệm Hyper-K giá trị thật δCP = −π/2 3.2 49 Ảnh hưởng sai số hệ thống tín hiệu gốc (trái) tín hiệu nhiễu (phải) đến độ nhạy góc bát phân θ23 thí nghiệm Hyper-K 50 3.3 Vùng giá trị cho phép sin2 θ13 −δCP (trái) sin2 θ23 −∆m232 (phải) thí nghiệm Hyper-K kết hợp thí nghiệm Hyper-K thí nghiệm lị phản ứng hạt nhân (reactor) độ tin cậy 3σ giá trị thật δCP = −π/2 52 3.4 Vùng giá trị cho phép sin2 θ13 − δCP (trái) sin2 θ23 − δCP (phải) với thí nghiệm Hyper-K với kết hợp thí nghiệm Hyper-K DUNE độ tin cậy 3σ giá trị thật δCP = −π/2.54 3.5 Vùng giá trị cho phép sin2 θ13 − δCP (trái) sin2 θ23 − δCP (phải) thí nghiệm Hyper-K kết hợp Hyper-K với thí nghiệm khác xét độ tin cậy 3σ giá trị thật δCP = −π/2 54 3.6 Góc bát phân θ23 thí nghiệm Hyper-K (trái) kết hợp với thí nghiệm (phải) 55 3.7 Sự đóng góp mẫu số liệu xuất việc phá vỡ suy biến θ13 − δCP Hình trái kết hợp thí nghiệm Hyper-K với thí nghiệm lị phản ứng hạt nhân Hình phải kết hợp thí nghiệm Hyper-K DUNE Xét độ tin cậy 3σ giá trị thật δCP = −π/2 56 3.8 Sự đóng góp mẫu số liệu đến phép đo góc bát phân θ23 57 luan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cpluan.van.thac.si.tim.vi.tri.goc.bat.phan.cua.goc.tron.lepton.q23.voi.thi.nghiem.hyper.kamiokande.va.anh.huong.cua.no.den.phep.do.vi.pham.doi.xung.cp n