Bài toán tam giác vật chất ppsx

Bài toán tam giác vật chất, 1/12 Bài toán tam giác vật chất Tim Gershon Các nhà vật lí tại “Xưởng B” ở Mĩ và Nhật Bản đang tiến rất gần đến một biểu đồ trừu tượng gọi là tam giác nhất thế trong sự nỗ lực nhằm giải thích sự khác nhau giữa vật chất và phản vật chất. Nhưng, theo lời Tim Gershon, thì những phép đo như vậy đồng thời cũng chỉ rõ cách thức khám phá ra những hạt cơ bản mới. Khi nào thì một tam giác không phải là tam giác ? Dù bạn có tin hay không thì câu đố lạ kì này vẫn được gói gọn trong nhiều nghiên cứu thời gian gần đây thuộc lĩnh vực vật lí hạt. Tam giác trong câu đố này là “tam giác đơn nhất” miêu tả những tương tác giữa các loại quark khác nhau. Quark là thành phần cơ bản cấu tạo nên các proton và neutron. Là một phần quan trọng của Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản, tam giác đơn nhất cung cấp các manh mối về sự khác nhau không dễ nhận ra giữa vật chất và phản vật chất, giúp trả lời câu hỏi tại sao vũ trụ lại không tan biến thành hư vô ngay tức thì sau khi vụ nổ Big Bang xảy ra. Đúng ra thì sau Big Bang, lượng vật chất và phản vật chất được tạo ra phải bằng nhau. Nhưng vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay chứa toàn là vật chất, điều đó đưa đến kết quả là phải có một vài sự khác nhau giữa hành trạng của các hạt và các phản hạt tương ứng của chúng. Mô hình Chuẩn đã kết hợp sự khác nhau đó qua một hiện tượng gọi là sự vi phạm đối xứng CP. Một sự đối xứng bị phá vỡ của tự nhiên đã được xác minh bằng thực nghiệm trong thập niên 1960. Hiện tượng này liên hệ tam giác đơn nhất với thế giới thực, bởi vì quy mô vi phạm đối xứng CP – và do đó mức độ khác nhau giữa vật chất và phản vật chất – tỉ lệ với diện tích của tam giác này. Hình 1 (Nguồn: TEK Image/Science Photo Library) Bài toán tam giác vật chất, 2/12 Tuy nhiên, một số sự vi phạm đối xứng CP mà Mô hình Chuẩn tiên đoán chỉ có thể giải thích cho khoảng một phần tỉ của sự chênh lệch vật chất – phản vật chất chúng ta nhìn thấy trong vũ trụ. Thực ra, đây chỉ là một trong nhiều vấn đề của Mô hình Chuẩn. Những bài toán khác cũng chưa được giải quyết là giải thích sự hấp dẫn hay tính đồng nhất của “vật chất tối”. Vì vậy, các nhà vật lí tin rằng, mặc dù có những tiên đoán rất thành công, nhưng rốt cuộc thì Mô hình Chuẩn cũng sẽ bị thay thế bởi một lí thuyết tổng quát hơn. Một cách kiểm tra những lí thuyết này là tiến hành khảo sát các đặc tính của tam giác đơn nhất: theo Mô hình Chuẩn thì nó là một tam giác hoàn chỉnh, nhưng nếu một hạt mới tồn tại thì tam giác này sẽ bị “phá vỡ”. Kể từ khi khám phá ra sự vi phạm đối xứng CP, nhiều thí nghiệm khác nhau đã được tiến hành nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của nó lên các hạt gọi là kaon trung hòa, nhưng những phép đo này không liên hệ trực tiếp đến các tính chất của tam giác đơn nhất. Tuy nhiên, trong vài năm trở lại đây, các nhà nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm vật lí hạt khổng lồ, như BaBar ở Mĩ và Belle ở Nhật Bản, đã có những phép đo chính xác các góc và chiều dài các cạnh của tam giác đơn nhất, bằng cách nghiên cứu hành trạng của các hạt khác gọi là meson B. Những kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy biểu đồ thu được rất gần với một tam giác. Nhưng vẫn còn có sự bất định trong thí nghiệm, và việc tinh lọc những hiểu biết của chúng ta về tam giác đơn nhất với những thí nghiệm trong tương lai là một cách quyết định nhằm đưa nền vật lí tiến xa sang bên kia Mô hình Chuẩn. Sự vi phạm đối xứng Theo Mô hình Chuẩn, toàn bộ vật chất được cấu thành từ các quark và lepton, trong đó mỗi loại hạt này lại có 6 loại hay 6 “mùi” khác nhau. Cả quark và lepton mùi mỗi loại lại chia thành 3 dòng: đối với quark là up (lên) và down (xuống), charm (duyên) và strange (lạ), và top (đỉnh) và bottom (đáy); còn với lepton mỗi dòng chứa một lepton mang điện – electron, muon, và tau – và một neutrino cùng tên tương ứng. Mỗi quark và lepton cũng có thành phần phản vật chất tương ứng. Mọi nguyên tử đều được cấu tạo chỉ từ các hạt thuộc dòng thứ nhất – các quark up và down (chúng kết hợp với nhau hình thành nên proton và neutron) và electron. Một trong những vấn đề cơ bản của vật lí hạt là tại sao có hai, và chỉ có hai, dòng thành phần với những tính chất tương đồng, còn khối lượng chênh nhau rất nhiều. Để làm phức tạp thêm bức tranh này của thế giới hạ nguyên tử, mùi vị của một quark còn có thể thay đổi do tương tác yếu. Chẳng hạn, phân hủy beta hạt nhân – trong đó một neutron phân hủy thành một proton, một electron và một phản neutrino electron – là do một quark down trong neutron chuyển thành một quark up bằng cách phát ra một “boson W”, là một trong những hạt mang tương tác yếu. Vì boson W có điện tích ± 1 (đơn vị điện tích electron) nên sự chuyển hóa như vậy chỉ có thể xảy ra giữa các quark “loại up” (up, charm, top) có điện tích + 2/3, và các quark “loại down” (down, strange, bottom) có điện tích – 1/3. Khả năng xảy ra một trong chín sự thay đổi mùi của quark được mô tả bằng một ma trận 3 x 3, gọi là ma trận hỗn hợp Cabibbo – Kobayashi – Maskawa (CKM). Các hàng của ma trận ứng với các quark loại up, các cột của ma trận ứng với các quark loại down, và mỗi ô vuông của ma trận cho biết xác suất xảy ra sự thay đổi mùi (xem hình bên dưới). Trong khi đó, tương tác yếu của các phản quark lại bị chi phối bởi liên hợp phức của ma trận CKM – ma trận liên hợp được thành lập bằng cách giữ nguyên phần thực của mỗi thành phần của nó và đổi dấu phần ảo. Vì vậy, nếu Bài toán tam giác vật chất, 3/12 ma trận CKM không có các thành phần ảo thì các quark và phản quark sẽ có các tương tác yếu giống hệt nhau. Tuy nhiên, các thí nghiệm cho thấy rằng điều này không phải là do sự vi phạm đối xứng CP. Kí hiệu C và P là các toán tử đối xứng: C là liên hợp điện tích, nghĩa là đổi mỗi hạt trong hệ thành phản hạt của nó; và P là tính chẳn lẽ, nghĩa là đảo dấu cả ba tọa độ không gian. Cho đến tận những năm 1960, các nhà vật lí vẫn cho rằng nếu tác động đồng thời toán tử C và P trên một hệ, thì hệ mới thu được sẽ có tính chất hoàn toàn tương tự như hệ cũ. Tuy nhiên, vào năm 1964, Jim Cronin và Val Fitch ở trường đại học Princeton đã quan sát thấy sự phân hủy của các hạt gọi là kaon trung hòa có thời gian sống dài, cấu tạo gồm quark down và strange, và các phản quark, không tuân theo đối xứng CP. Khám phá này đã mang lại giải Nobel cho Cronin và Fitch. Nó thật sự là một cú sốc cho các nhà vật lí, vì 10 năm trước đó Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa ở Nhật Bản đã đề xuất một giải pháp dưới hình thức ma trận CKM. Vào thời gian Cronin và Fitch khám phá ra sự vi phạm đối xứng CP, người ta chỉ mới biết đến hai dòng quark đầu tiên, và chỉ cho phép tồn tại ma trận hỗn hợp 2 x 2 với các thành phần số thực, do Nicola Cabibbo đưa ra vào năm 1963. Ý tưởng của Kobayashi và Maskawa nêu ra với dòng qaurk thứ ba, đưa đến ma trận 3 x 3 chứa các số phức, và do đó có đất cho sự vi phạm đối xứng CP. Việc tiên đoán sự tồn tại của hai quark mới là một bước nhảy vọt về cơ bản, nhưng sự mạo hiểm đã thu được kết quả khi quark bottom được phát hiện tại Fermilab ở Mĩ vào năm 1977. Thật vậy, ma trận CKM tồn tại như là một bộ phận của Mô hình Chuẩn ngay cả trước khi phát hiện ra quark top (hạt kiểu up của quark top), cũng taij Fermilab ở Mĩ, vào năm 1995. Chín thành phần của ma trận CKM không hoàn toàn độc lập với nhau. Chẳng hạn, vì một quark up phải chuyển thành một trong ba quark loại down nên xác suất liên kết phải được cộng lại. Thực ra, ma trận CKM có thể được biểu diễn dưới dạng của bốn thông số độc lập: ba “góc hỗn hợp” thực và một “pha” ảo dẫn tới sự vi phạm đối xứng CP. Tam giác đơn nhất đơn giản là một cách biểu diễn những con số này trong một biểu đồ. Nó được James Bjorken và Cecilia Jarlskog nêu ra lần đầu tiên vào năm 1988. Trong tam giác này, các góc (kí hiệu là α, β và γ) và các cạnh (R u và R t ) tương ứng với sự kết hợp nhất định của các thành phần của ma trận CKM (xem hình 5). Chiều cao của tam giác phụ thuộc vào pha ảo, và vì ma trận CKM chứa các số phức nên tam giác nhất thế là một tam giác, chứ không phải là đường thẳng một chiều. Mặc dù Kobayashi và Maskawa đã tiên đoán thành công dòng quark thứ ba, nhưng để xác nhận thật sự cần giải thích chính xác sự vi phạm đối xứng CP. Các nhà nghiên cứu phải chỉ ra được rằng tam giác đơn nhất thật sự là một tam giác, bằng cách xác định các góc và cạnh của nó. Người ta có thể làm điều này bằng cách khảo sát cẩn thận sự phân hủy của các hạt được chọn trước, trong đó có xảy ra sự chuyển đổi quark mùi, và do đó liên quan đến các thành phần của ma trận CKM, tương ứng với một trong các thông số của tam giác. Trong các thí nghiệm này, người ta mong rằng sự vi phạm đối xứng CP ở các hạt chứa các quark bottom sẽ diễn ra mạnh hơn so với các hạt kaon đã được quan sát trước đó. Nghĩa là, các hạt chứa quark bottom có thể xử sự rất khác với các hạt chứa Bài toán tam giác vật chất, 4/12 các phản quark bottom. Có thể quan sát thấy điều này, chẳng hạn, ở tốc độ phân hủy khác nhau thành những sản phẩm nhất định của meson B và các phản meson (cấu tạo từ một quark hoặc phản quark bottom, và một quark hoặc phản quark up hoặc down). Bằng cách nghiên cứu “tính không đối xứng CP” này ở các hệ meson B, các nhà nghiên cứu có thể tóm được những tính chất của tam giác đơn nhất. Đường sinh của các quark bottom Chỉ một phần nhỏ các meson B chịu sự phân hủy trong đó có sự vi phạm đối xứng CP như tiên đoán. Do đó, để có được tam giác đơn nhất, chúng ta phải cần phải tạo ra một số lượng lớn rất lớn meson B, bằng thiết bị va chạm hạt có tên là “Xưởng B”. Trong cỗ máy này, các electron và positron va chạm vào nhau ở năng lượng thích hợp, tạo ra một hạt gọi là hạt Y (4S). Hạt này cấu tạo từ một quark và một phản quark top, nó hầu như phân hủy ngay tức thì thành một meson và một phản meson B. Đặc biệt, các chùm electron và positron trong những va chạm này không có cùng năng lượng nên sự bảo toàn xung lượng chắc chắn rằng các meson sinh ra đang chuyển động. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu xác định được thời gian cần thiết để hạt phân hủy, và do đó tính được tốc độ phân hủy của chúng, từ khoảng cách mà chúng đi được trước khi phân hủy. Hai cỗ máy không đối xứng như vậy đã được hoàn tất tại Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC) ở California và KEK ở Nhật Bản. Mục tiêu ban đầu của các xưởng B này là đo góc β của tam giác đơn nhất. Mà tốc độ của các va chạm electron – positron phụ thuộc vào sự ước lượng các meson B cần thiết để đo thông số này một cách chính xác. Thật may mắn, lúc bấy giờ người ta đã ước tính được điều đó, và rồi thì quark top được tìm thấy nặng hơn nhiều so với dự đoán. Sự tính toán sai này, cùng với cuộc chạy đua giữa SLAC và KEK, khiến cho các cỗ máy đạt tới tốc độ va chạm cực kì cao. Trên một tỉ cặp meson B đã được tạo ra bởi hai cỗ máy, và các detector đi kèm với chúng – BaBar tại SLAC và Belle tại KEK – đã thu được dữ liệu đúng như mong đợi. Quá trình đặc biệt cho phép người ta đo được góc β là tính không đối xứng ở tốc độ phân hủy của các meson B 0 (một phản quark bottom và một quark down) và các phản meson 0 B (một quark bottom và một phản quark down) thành hai meson khác, K S (kaon trung hòa có thời gian sống ngắn) và J/ ψ (một quark và một phản quark charm). Sự không đối xứng này xảy ra do một meson B 0 có thể phân hủy thành một meson J/ψ hoặc là một meson K S một cách trực tiếp, hoặc sau khi “dao động” thành 0 B - quá trình xảy ra ngược lại đối với một hạt 0 B . Dao động là hiện tượng mà nhờ đó một meson B trung hòa có thể chuyển thành các phản meson của nó bằng cách tức thời tạo ra một cặp hạt – phản hạt “ảo” của các quark top – nguyên lí bất định cho phép các quark top nặng hơn sinh ra nhưng chỉ trong một khoảng thời gian rất ngắn. Do sự giao thoa cơ lượng tử giữa các tuyến phân hủy trực tiếp và dao động, nên về trung binh các meson B 0 sống lâu hơn một chút trước khi phân hủy thành J/ψ và K S so với các hạt 0 B . Vì những nguyên tố đặc biệt của ma trận CKM tương ứng với sự chuyển đổi mùi trong phân hủy dao động và trực tiếp, nên độ lớn của sự không đối xứng này tỉ lệ với sin2β. Để quan sát sự không đối xứng này, trước tiên các nhà nghiên cứu cần phải nhận ra số lượng lớn các phân hủy tạo thành J/ψ và K S . Việc này tương đối khó khăn vì Bài toán tam giác vật chất, 5/12 thực tế là các phân hủy kiểu này chỉ xảy ra một lần trong số 2000 phân hủy (xem hình 2). Sau đó, chúng ta cần phải biết là hạt B 0 hay 0 B từ va chạm ban đầu đã phân hủy thành J/ψ và K S . Điều này có thể thực hiện bằng cách quan sát xem meson khác được tạo ra trong va chạm electron – positron phân hủy như thế nào để xác định nó có phải là B 0 hay 0 B - một công việc có tên là “bắt mùi”. Cuối cùng, để xác định thời gian sống của meson B, ta phải xác định được vị trí tại đó nó phân hủy. Nhu cầu bắt mùi và đo vị trí phân hủy một cách chính xác là tiêu chí khi thiết kế các detector BaBar và Belle (xem phần dưới). Hình 2. Trong xưởng B, electron và positron va chạm với nhau với năng lượng vừa đủ để sinh ra một hạt Y (4S). Hạt này ngay tức thì phân hủy thành một meson B 0 và một meson 0 B . Khi năng lượng electron cao hơn positron thì meson B sẽ bay khỏi hướng của chùm electron trước khi phân hủy trong vòng vài pico giây. Loại phân hủy đặc biệt hấp dẫn để xác định sự vi phạm đối xứng CP là khi một meson B phân hủy thành một meson K S và J/ ψ . Hai hạt này tương ứng sẽ phân hủy thành một cặp pion và một cặp muon. Tuy nhiên, vì một hạt B 0 hoặc một hạt 0 B đều có thể tạo ra những sản phẩm này, nên các nhà nghiên cứu cần phải xác định sự phân hủy của meson B khác trong sự kiện để xác minh sản phẩm sinh ra là của hạt nào. Vị trí hai meson B phân hủy phải được xác định để tìm thời gian sống của các hạt (t 1 và t 2 ). Mô hình Chuẩn dự đoán các meson B 0 tính trung bình sẽ phân hủy muộn hơn một chút so với các meson 0 B , còn muộn hơn bao nhiêu là phụ thuộc vào góc β của tam giác đơn nhất. Đội nghiên cứu BaBar và Belle đã công bố kết quả ban đầu của họ về phân hủy B 0 → J/ψ K s vào năm 2001. Đúng như Mô hình Chuẩn dự đoán, chúng ta thấy một sự đối xứng lớn ở tốc độ phân hủy của hạt B 0 và 0 B - điều này cho phép các nhà nghiên cứu xác định góc β của tam giác đơn nhất. Các đội nghiên cứu đã cải tiến những phép đo này, và giá trị trung bình được thế giới công nhận hiện nay là β = 21.2° ± 1.0°. Thật vậy, góc β có giá trị khác không có nghĩa là sự vi phạm đối xứng CP dứt khoát xảy ra trong hệ meson, và độ lớn của góc phù hợp với những Bài toán tam giác vật chất, 6/12 nghiên cứu trước đây về các hiệu ứng vi phạm đối xứng CP nhỏ hơn nhiều trong hệ kaon. Tuy nhiên, để định nghĩa một tam giác, cần phải đo ít nhất là hai góc. Ban đầu người ta cho rằng có thể đo góc sin2α bằng cách giống như đo góc sin2β, nhưng sử dụng phân hủy B 0  n + n - thay cho phân hủy B 0 → J/ψ K s . Vì các pion cấu tạo từ các quark và phản quark up và down, các nguyên tố khác của ma trận CKM bắt buộc phải sánh với phân hủy dạng thứ hai ở trên, và do đó có thể đo được một góc khác. Tuy nhiên, không giống như phân hủy B 0 → J/ψ K s , sự không đối xứng trong phân hủy B 0  n + n - không tỉ lệ đơn giản với sin2α, nên cần phải tính toán thêm mới rút ra góc một cách chính xác. Tương tự như vậy, trong khi đôi khi người ta biết rằng có thể thu được góc thứ ba, γ, bằng cách đo sự không đối xứng CP trong các phân hủy B 0  DK (trong đó D là meson chứa các quark charm), thật khó thu được sự cưỡng ép chính xác cho thông số này, vì chỉ một trong số một triệu meson B là phân hủy thành các trạng thái thích hợp. Tuy nhiên, đã có những tiến bộ gây ấn tượng sâu sắc khi tiến hành đo được cả α và β, nhờ sự hợp tác giữa những nhà lí thuyết và thực nghiệm, cho ra đời những kĩ thuật phân tích mới. Giá trị trung bình được thế giới công nhận hiện nay là α = 92° ± 7° và γ = 82° ± 20°. Trong phạm vi sai số, ba góc này quả thực có tổng bằng 180 o . Đo các cạnh tam giác Cạnh của tam giác nhất thế là gì ? Theo định nghĩa thì cạnh đáy có chiều dài bằng 1, còn hai cạnh kia phải tiến hành đo bằng thực nghiệm để kiểm tra xem chiều dài của chúng có phù hợp với các góc hay không. Người ta gọi việc này là “chế ngự” tam giác. Nếu Mô hình Chuẩn là chính xác thì mọi phép đo phải phù hợp với một góc riêng rẽ, còn mọi độ lệch đều chứng tỏ sự ngự trị của một quy luật vật lí mới. Trong khi các phép đo góc dựa vào tính không đối xứng CP giữa các meson B và các phản meson, thì các cạnh tam giác có thể được xác định chì từ những tốc độ phân hủy thích hợp. Điều nay nghe có vẻ ít cam go hơn, nhưng độ phức tạp sẽ gia tăng đáng kể khi đo đồng thời cả hai cạnh. Cạnh bên trái của tam giác phụ thuộc vào nguyên tố của ma trận CKM liên quan tới các quark up và bottom, V ub . Có hai kế hoạch đo giá trị của nó: kế hoạch thứ nhất là “bao gồm”, cần phải đo tốc độ meson B phân hủy thành bất cứ hạt nào khác chứa một quark up (cộng với một lepton và một neutrino); kế hoạch thứ hai là “loại trừ”, chỉ yêu cầu đo tốc độ phân hủy của hạt có liên quan. Trong cả hai trường hợp, cần đưa vào một số dữ kiện lí thuyết để ngoại suy các số đo thành giá trị của V ub , giá trị được xác nhận hiện nay là |V ub | = (4.09 ± 0.26) × 10 –3 . Như vậy, chiều dài cạnh bên trái của tam giác là R u = 0.381 ± 0.014. Việc đo cạnh kia của tam giác đơn nhất hiện thời còn nhiều vướng mắc. Dữ kiện chủ yếu để xác định cạnh này là nguyên tố CKM V td , nó chi phối tốc độ chuyển hóa từ một quark top thành một quark down. Hiện tại, năng lượng trong các xưởng B vẫn còn quá thấp để có thể tạo ra những quark top cực nặng. Hơn nữa, một số lượng ít ỏi quark top được tạo ra trong các máy va chạm năng lượng cao lại phân hủy chủ yếu thành quark bottom. Điều này khiến cho chúng ta không thể quan sát được sự phân hủy hiếm có của chúng so với các quark nhẹ hơn, cả trong thí nghiệm hiện nay và thí nghiệm đề xuất sắp thực hiện. Bài toán tam giác vật chất, 7/12 Tuy nhiên, vấn đề không hẳn là bế tắc. Như phần trước đã nói đến, các quark top ảo có thể được tạo ra trong sự dao động của meson B, và hóa ra là tốc độ của các dao động B 0 - 0 B , được mô tả bởi thông số ∆m d , lại bị chi phối bởi V td . Thật là một thách thức to lớn cho các nhà lí thuyết trong việc tính toán hằng số liên hệ V td với ∆m d , nhưng người ta có thể thu được chút thành quả nếu xem xét các dao động của một meson trung hòa khác gọi là B 0 s (một phản quark bottom và một quark strange), xác định bởi ∆m s . Đặc biệt, với kĩ thuật gọi là sắc động lực học lượng tử lưới, người ta thu được hằng số liên hệ tỉ số |V td |/|V ts | với ∆m d /∆m s . Vì giá trị của ∆m d và |V ts | là đã biết, nên chỉ còn một thông tin còn thiếu là ∆m s . Hình 3. Thiết lập tam giác đơn nhất. Các nhóm nhà vật lí lí thuyết và thực nghiệm quốc tế như UTFit và CKMFitter đang đặt số đo các góc và cạnh của tam giác đơn nhất để xác định xem tam giác này có thật sự là một tam giác hay không. Trong hình trên, lấy từ nhóm nghiên cứu CKMFitter, các số đo thực nghiệm và sai số của chúng được biểu diễn bằng các dải trên mặt phẳng phức trong đó tam giác đơn nhất được dựng lên (màu đen). Nếu các số đo là thích hợp thì một sự chọn lựa đỉnh tam giác sẽ khớp với mọi ràng buộc còn lại, nói theo ngôn ngữ hình vẽ thì các dải màu sẽ chồng lên nhau tại một điểm. Số đo chính xác góc sin2 β từ thiết bị BaBar và Belle được biểu diễn bằng một hình nêm hẹp màu xanh dương, còn các số đo kém chính xác hơn của α và γ tương ứng được biểu diễn bằng hình lưỡi liềm màu xanh dương và hình nêm màu sáng xanh lá cây. Đối với các cạnh của tam giác, sự ràng buộc chiều dài cạnh bên trái từ tốc độ chuyển đổi quark up thành quark bottom được biểu diễn bằng vòng tròn màu xanh lá cây, còn sự ràng buộc về cạnh bên phải từ các dao động meson B được biểu diễn bằng vòng tròn màu vàng (vòng tròn màu cam là số đo các dao động B 0 s tại Fermilab gần đây). Các số đo trước đó về sự vi phạm đối xứng CP từ các kaon được biểu diễn bằng hình hyperbol màu xanh lá cây. Tất cả các số đo phù hợp với đỉnh của tam giác đơn nhất đều nằm trong dải Bài toán tam giác vật chất, 8/12 nhỏ màu đỏ. Đây là một thành công lớn của Mô hình Chuẩn trong việc giải thích sự vi phạm đối xứng CP. Việc đo ∆m s hơi khó vì các dao động B 0 s - 0 s B rất nhanh. Tuy nhiên, hồi năm ngoái, thí nghiệm CDF tại Fermilab cho số đo ∆m s chính xác một cách khác thường là vào khoảng 2,75 THz (xem Physics World, số tháng 7/2006, trang 32 – 34). Việc này cho phép người ta xác định chiều dài của cạnh còn lại của tam giác là R t = 0.904 ± 0.028. Bằng cách đặt tất cả các số đo góc và cạnh thu được trên một biểu đồ riêng, bây giờ chúng ta có thể xác định xem chúng có phù hợp với một góc riêng nào đó hay không (xem hình 3). Trong chừng mực nhất định, mọi thứ tương hợp với một tam giác có chiều cao 0.344 ± 0.016. Cuộc tìm kiếm quy luật vật lí mới Các phép đo chính xác của tam giác đơn nhất là một thắng lợi của các xưởng B và Mô hình Chuẩn, tuy nhiên, nó cũng khiến nhiều nhà vật lí cảm thấy thất vọng. Lí do là bất kể những thành công của Mô hình Chuẩn, thì đây vẫn chưa phải là một câu chuyện trọn vẹn. Các số liệu không giải thích được tính không đối xứng vật chất – phản vật chất trong vũ trụ, nó cũng không giải thích được vật chất tối và năng lượng tối mà các nhà vũ trụ vẫn cho rằng đó là thành phần cấu thành chủ yếu của vũ trụ, nó cũng không giải thích được sự hấp dẫn. Người ta có thể nhiệt thành hi vọng các kết quả từ máy va chạm hadron lớn LHC, sẽ khởi động vào cuối năm nay tại CERN, sẽ cung cấp bằng chứng vật lí cho phía bên kia Mô hình Chuẩn. Các nhà vật lí không đỉ kiên nhẫn nữa, và các phép đo quark top có thể mang tới manh mối trước khi có LHC – chẳng hạn, những phép đo chính xác hơn cho thấy rằng các góc và cạnh của tam giác đơn nhất không tương hợp chính xác với nhau. Một mâu thuẫn trong tam giác đơn nhất có thể thấy bằng cách so sánh giá trị của góc β xác định từ các phân hủy B 0 → J/ψ K s với số đo cũng của góc này trong những phân hủy khác, chẳng hạn như phân hủy trong đó một quark bottom chuyển thành một quark strange. Những phân hủy này xảy ra thông qua “các vòng lặp” hạt ảo, trong đó quark bottom phân hủy thành một boson W ảo và một quark loại up, rồi sau đó quark này lại tái kết hợp để hình thành một quark strange. Nếu nặng hơn, các hạt đến nay chưa biết có thể được sinh ra một cách mau chóng trong những vòng lặp này, ảnh hưởng đến việc đo tốc độ của những phân hủy này. Các phép đo gần đây từ BaBar và Belle cho thấy thực sự có những hạt mới xuất hiện trong các vòng lặp làm trung gian cho những phân hủy như thế. Hiện tại, sai số thực nghiệm quá lớn khiến chúng ta chưa thể khẳng định được điều gì, nhưng đây là một gợi ý cho những lí thuyết bên kia Mô hình Chuẩn, chẳng hạn như lí thuyết siêu đối xứng, một lí thuyết có lẽ đang chi phối thế giới thực của chúng ta. Trong khi các xưởng B cải tiến những phép đo của họ thì LHC sẽ vẽ nên một bức tranh cận cảnh hơn. Trong khi có khoảng một triệu meson B được sinh ra mỗi ngày tại BaBar và Belle thì mỗi giây LHC tạo ra số lượng meson B nhiều hơn con số này nhiều lần. Đặc biệt, thí nghiệm LHCb, một trong bốn detector đặt xung quanh máy va chạm LHC, sẽ cho phép tiến hành những phép đo chính xác hơn nhiều về các thông số, chẳng hạn như góc γ, thông qua các nghiên cứu tỉ mỉ về sự dồi dào của các hạt chứa quark bottom (xem Physics World, tháng 10/2006, trang 37 – 39). Tuy nhiên, do mỗi va chạm proton – proton tại LHC sẽ sinh ra hàng trăm hạt, trái ngược hoàn toàn với các va chạm electron – positron xảy ra trong xưởng B chỉ sinh ra hạt Bài toán tam giác vật chất, 9/12 meson B và phản meson, nên việc nhận dạng loại phân hủy thích hợp đúng là một thách thức lớn. Bên cạnh việc sinh ra nhiều hạt chứa quark bottom hơn, một thuận lợi cơ bản nữa của LHC là nó có thể tạo ra đa dạng chủng loại các hạt nhóm này, đặc biệt là meson B 0 s , một hạt không sinh ra trong các xưởng B. Điều này sẽ cho phép tiến hành những phép đo ∆m s chính xác hơn, và quan trọng hơn là cho phép những nghiên cứu ban đầu về sự vi phạm đối xứng CP ở các meson B 0 s . Thí dụ, LHCb sẽ nghiên cứu phân hủy B 0 s → J/ψ Φ, tương tự với phân hủy B 0 → J/ψ K s trong các xưởng B. Không giống như phân hủy B 0 , tính không đối xứng trong phân hủy này do Mô hình Chuẩn tiên đoán khá nhỏ. Do đó, nếu người ta quan sát thấy một lượng đáng kể sự vi phạm đối xứng CP, thì điều đó sẽ mang đến một cái nhìn sáng sủa cho quy luật vật lí mới. Dường như sự quan sát quy luật vật lí mới cũng là đoạn kết của câu chuyện nền vật lí B và tam giác đơn nhất. Nhưng thực ra, một khám phá như vậy cần rất nhiều công sức để xác định tính chất chi tiết của các hạt mới, và xác minh xem liệu những kết quả vi phạm đối xứng CP có thể thêm được gì hay không vào sự hụt hẫng trong hiểu biết của chúng ta về vật chất thống trị trong vũ trụ. Vì lí do này, các nhà nghiên cứu đang đề xuất một “Xưởng Siêu Mùi” – một máy va chạm electron – positron tương tự như xưởng B hiện có, nhưng có tốc độ va chạm ít nhất là lớn hơn 100 lần. Một thí nghiệm như vậy cũng sẽ cho phép chúng ta thiết lập chính xác tam giác đơn nhất - mặc dù có thể sau đó nó không thật sự là một tam giác nữa – cũng như bước đầu nghiên cứu những quá trình đặc biệt nhạy với những tính chất của quy luật vật lí mới, ví dụ như sự phân hủy của lepton tau. Vậy, khi nào thì một tam giác không phải là một tam giác ? Trong chừng mực của những kết quả ấn tượng thu được của các nhà nghiên cứu tại BaBar và Belle, chúng ta có thể nói rằng bây giờ chưa phải lúc ! Nhưng chúng ta biết rằng phải có sự vi phạm đối xứng CP vượt ngoài khả năng giải thích của Mô hình Chuẩn, và chúng ta hi vọng các hạt mới là nguyên nhân gây ra hiện tượng này sẽ sớm được tìm thấy tại LHC. Điều này cũng gợi ý rằng những nghiên cứu chính xác hơn sẽ vạch ra một chỗ hở của tam giác, mở ra một lĩnh vực nghiên cứu phong phú mới để tóm bắt những tính chất của nền vật lí mới. PHỤ LỤC Ma trận CKM và tam giác đơn nhất Mô hình Chuẩn của vật lí hạt cơ bản chứa 6 “mùi” của quark: up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) và bottom (b) – chia thành ba dòng quark “loại up” (u, c và t) có điện tích + 2/3 và quark “loại down” (d, s và b) có điện tích – 1/3. Các quark có thể chuyển mùi từ loại up sang loại down, và ngược lại, thông qua tương tác yếu. Xác suất cho mỗi sự chuyển đổi mùi này xảy ra được mô tả bằng một ma trận 3 x 3 với các nguyên tố số phức, gọi là ma trận Cabibbo – Kabayashi – Maskawa (CKM), V CKM . Ví dụ, bình phương của nguyên tố V ud cho xác suất một quark up chuyển thành một quark down. Xác suất tương ứng đối với các chuyển đổi phản quark được cho bởi liên hợp phức của ma trận này, V * CKM . Thực ra thì hai ma trận này không đồng nhất (vì chúng chứa các số phức), và không giải thích được hiện tượng vi phạm đối xứng CP, vì thế các quark và phản quark hành xử hơi khác nhau. Bài toán tam giác vật chất, 10/12 Vì các tương tác yếu phải bảo toàn xác suất – nghĩa là một quark loại up phải chuyển thành một trong ba quark loại down chứ không thể chuyển thành bất cứ hạt nào khác – nên ma trận CKM phải “đơn nhất”. Về mặt toán học, một ma trận là đơn nhất khi nhân nó với liên hợp Hermitian V + CKM (hoán vị của liên hợp phức của nó) thì kết quả thu được là một ma trận đơn vị. Quan hệ này đưa đến số phương trình liên hệ các nguyên tố của ma trận CKM. Một số phương trình là kết quả của sự bảo toàn xác suất một cách trực tiếp – nghĩa là bình phương của các nguyên tố hàng hoặc cột phải cộng lại bằng một – nhưng có một số phương trình trong đó tổng của ba số phức bằng không, chẳng hạn như V * ub V ud + V * cb V cd + V * tb V td = 0. Hình 4. Quan hệ kiểu thứ hai ở trên có thể miêu tả bằng đồ thị trên “biểu đồ Argand”, biểu đồ có các trục tương ứng với các số thực và số ảo. Trên biểu đồ kiểu như vậy, một số phức được biểu diễn bằng một đoạn thẳng, và tổng của một vài số phức có thể biểu diễn bằng cách nối đuôi nhau hệt như khi cộng các vectơ. Trong các phương trình đơn nhất của ma trận CKM, tổng của ba số phức là bằng không, cho nên ba đoạn thẳng nối đuôi nhau tạo thành một tam giác gọi là “tam giác đơn nhất”. Có cả thảy 6 tam giác đơn nhất – mỗi tam giác cho một cặp hàng hoặc cột trong ma trận CKM – và chiều cao của mỗi tam giác tương ứng với lượng vi phạm đối xứng CP trong sự chuyển đổi của các quark có liên quan. Hình 5. Đa phần các tam giác rất thon dài, tương ứng với kết quả vi phạm đối xứng CP rất nhỏ. Tuy nhiên, tam giác mô tả sự chuyển đổi quark top và down được dự đoán là có các cạnh dài xấp xỉ bằng nhau. Vì tầm quan trọng của tam giác này, nên nó thường được gọi là tam giác đơn nhất “đó”. Người ta thường vẽ tam giác đơn nhất có chiều dài một cạnh thu tỉ lệ lại bằng đơn vị và quay để cạnh này nằm dọc theo [...]... i kaon Bài toán tam giác v t ch t, 11/12 Tam giác ơn nh t - Tam giác ơn nh t là m t bi u tr u tư ng bi u di n cách th c 6 quark ã bi t có th chuy n hóa thành quark khác thông qua l c y u - Nó là m t b ph n thi t y u c a Mô hình Chu n c a v t lí h t cơ b n vì nó gi i thích s khác nhau tinh t gi a v t ch t và ph n v t ch t g i là vi ph m i x ng CP - Mô hình Chu n tiên oán bi u này là m t tam giác hoàn... hoàn toàn như v y - Các nhà nghiên c u t i các máy va ch m h t g i là xư ng B Mĩ và Nh t B n trong th i gian g n ây ã ti n hành nh ng phép o chính xác các góc và c nh c a tam giác ơn nh t - M c dù nh ng phép o này phù h p v i bi u tam giác, nhưng các nhà v t lí v n ti p t c tìm ki m s sai l ch nh m hé m m t quy lu t v t lí m i - Các c máy tương lai, như Máy Va ch m Hadron L n và Xư ng Siêu Mùi, s cho... phép ti n hành nh ng phép o chính xác hơn nh m ki m tra các quy lu t v t lí vư t kh i Mô hình Chu n hiepkhachquay (d ch t Physics World, tháng 4/2007) 13/4/2007, http://hiepkhachquay.3000mb.com Bài toán tam giác v t ch t, 12/12 . Bài toán tam giác vật chất, 1/12 Bài toán tam giác vật chất Tim Gershon Các nhà vật lí tại “Xưởng B” ở Mĩ và Nhật Bản đang tiến rất gần đến một biểu đồ trừu tượng gọi là tam giác nhất. Library) Bài toán tam giác vật chất, 2/12 Tuy nhiên, một số sự vi phạm đối xứng CP mà Mô hình Chuẩn tiên đoán chỉ có thể giải thích cho khoảng một phần tỉ của sự chênh lệch vật chất – phản vật chất. nhau tạo thành một tam giác gọi là tam giác đơn nhất”. Có cả thảy 6 tam giác đơn nhất – mỗi tam giác cho một cặp hàng hoặc cột trong ma trận CKM – và chiều cao của mỗi tam giác tương ứng với