khảo sát phân bố từ trường của hệ phân cực kế muon trong thí nghiệm t violation

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ðẶNG NGUYÊN PHƯƠNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG CỦA HỆ PHÂN CỰC KẾ MUON TRONG THÍ NGHIỆM T-VIOLATION LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn, tôi ñã nhận ñược sự quan tâm, giúp ñỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân cũng như các giáo sư tại Trung tâm KEK, Nhật Bản. Xin gửi lời cảm ơn ñến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường ðHKHTN TPHCM ñã tận tình truyền dạy kiến thức trong suốt những năm tôi học ñại học cũng như cao học tại bộ môn. ðầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành ñến GS. Jun Imazato, người ñã tận tình hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện luận văn tại KEK. Tuy thời gian thực hiện luận văn tương ñối ngắn ngủi nhưng với sự hướng dẫn tận tình, không quản ngại ngày ñêm của giáo sư ñã giúp tôi hoàn thành luận văn này một cách tốt nhất có thể. Kế ñến, tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc ñến GS. Chary Rangacharyulu là người ñã luôn ñộng viên, khuyến khích và trao ñổi với tôi về những vấn ñề liên quan ñến vật lý hạt nhân và hạt cơ bản. Tôi sẽ không bao giờ quên sự giúp ñỡ của giáo sư về cả vật chất lẫn tinh thần trong suốt thời gian tôi theo ñuổi lĩnh vực nghiên cứu này. Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn ñến TS. Suguru Shimizu, TS. Youichi Igarashi và các thành viên khác trong nhóm TREK vì những góp ý, trao ñổi cũng như giúp ñỡ của họ trong quá trình tiến hành thí nghiệm tại KEK. Nhân dịp này, tôi cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc tới Cô Trương Thị Hồng Loan vì tất cả những gì cô ñã làm cho tôi trong suốt 5 năm qua. Trong suốt thời gian qua, tôi cảm thấy mình thật may mắn và hạnh phúc khi ñược làm việc với cô Loan, chị Khanh cũng như với các bạn khác trong nhóm NMTP, cùng nhau san sẻ không chỉ kiến thức mà còn là những niềm vui, nỗi buồn trên chặng ñường dài nghiên cứu khoa học. Tôi sẽ không bao giờ quên những kỷ niệm ñẹp với các bạn bè lớp Cao học Vật lý Hạt nhân K17 trong suốt ba năm qua. Kỉ niệm với các bạn có lẽ sẽ là những kỉ niệm cuối cùng trong quãng ñời ñi học của tôi. Cuối cùng, xin ñược gửi gắm những lời thương yêu nhất tới gia ñình của tôi, cha mẹ và em trai, những người ñã luôn sát cánh bên tôi trong công việc cũng như trong cuộc sống. 1 MỤC LỤC Trang Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 3 Danh mục các bảng 5 Danh mục các hình vẽ, ñồ thị 6 MỞ ðẦU 8 Chương 1 – GIỚI THIỆU 10 1.1 Khái niệm về sự ñối xứng trong vật lý 10 1.1.1 Sự ñối xứng 10 1.1.2 ðối xứng CPT 10 1.2 Sự vi phạm CP 12 1.3 Sự bất bảo toàn toán tử thời gian 13 1.4 Thí nghiệm TREK (Time Reversal Experiment with Kaons) 14 Chương 2 – HỆ PHÂN CỰC KẾ MUON TRONG THÍ NGHIỆM KEK-PS-E246 21 2.1 Xác ñịnh P T bằng hệ phân cực kế muon thụ ñộng 21 2.2 Các thành phần của hệ phân cực kế 23 2.3 Những khuyết ñiểm của hệ phân cực kế muon thụ ñộng 24 Chương 3 – HỆ PHÂN CỰC KẾ MUON CHỦ ðỘNG 26 3.1 Hệ phân cực kế muon chủ ñộng 26 3.2 Phương pháp xác ñịnh P T 28 3.2.1 Phương pháp chung 28 3.2.2 Hiệu chỉnh sự quay của spin muon 29 3.2.2 Phép ño năng lượng và góc bay của positron 30 3.3 Bia dừng muon 31 3.4 Multi-Wire Drift Chamber (MWPC) 32 3.5 Thiết bị tạo từ trường ño phân cực muon 33 Chương 4 – KHẢO SÁT PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG CỦA HỆ PHÂN CỰC KẾ 36 4.1 Thiết lập hệ ño 36 4.2 Sensor ño từ trường 40 2 4.3 Hệ số bất ñối xứng 43 4.4 Kết quả khảo sát phân bố từ trường 43 4.4.1 Khảo sát từ trường nghịch 44 4.4.2 Khảo sát từ trường thuận 46 Chương 5 – KHẢO SÁT MULTI-WIRE DRIFT CHAMBER BẰNG CHÙM TIA BETA 50 5.1 Thiết lập hệ ño 50 5.2 Phương pháp ño sự phân chia ñiện tích 56 5.3 Kết quả 57 5.3.1 Khảo sát với ñiều kiện ban ñầu 57 5.3.2 Khảo sát với các vùng ADC 59 5.3.3 Khảo sát với sự thay ñổi cổng thời gian 61 KẾT LUẬN 64 DANH MỤC CÔNG TRÌNH 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 3 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÍ HIỆU C toán tử liên hợp ñiện tích G s hằng số coupling vô hướng K µ3 kênh phân rã K + → π 0 µ + ν m K khối lượng kaon m s khối lượng quark s m u khối lượng quark u m π khối lượng pion m µ khối lượng muon P toán tử chẵn lẻ P T phân cực vuông góc mặt phẳng phân rã p π xung lượng của pion p µ xung lượng của muon T toán tử nghịch ñảo thời gian α năng suất phân tích β trở kháng ñầu vào σ µ vector phân cực của muon θ góc phát positron λ hằng số phân rã <cos θ T > thừa số suy giảm ñộng học trung bình CÁC CHỮ VIẾT TẮT cc clock-wise ccw counter clock-wise fwd forward bwd backward 4 ADC Analog to Digital Converter APD Avalanche Photodiode CAMAC Computer Automated Measurement And Control CsI(Tl) Thallium doped Caesium Iodide scintillation detector FADC Fast Analog to Digital Converter FOM Figure of Merit GEM Gas Electron Multiplier HV High Voltage KEK High Energy Accelerator Research Organization LVDS Low Voltage Differential Signaling MPPC Multi-Pixel Photon Counter MWDC Multi-Wire Drift Chamber MuS Muon stopping NIM Nuclear Instrumentation Module PH-ADC Photonic Analog to Digital Converter PIN (p-layer, intrinsic layer, n-layer) photodiode PMT Photomultiplier tube PS Proton Synchrotron SC Superconducting SiPMT Silicon photomultiplier tube SPD Shift of decay plane distribution TRIUMF Canada's National Laboratory for Particle and Nuclear Physics TREK Time Reversal Experiment with Kaons UNIDAQ Universal Input Data Acquisition Module VME Versa Module Eurocard µSR Muon Spin Rotation 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh giữa hai thí nghiệm E246 và TREK 19 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Hình 1.1: Phân rã K µ3 15 Hình 1.2: Các giá trị P T ñược ñưa ra bởi mô hình lý thuyết và thực nghiệm 16 Hình 1.3: Mô hình hệ ño 17 Hình 2.1: Sơ ñồ cấu trúc của hệ phân cực kế muon 21 Hình 2.2: Phân bố thông lượng trong bia dừng muon 23 Hình 3.1: Hệ phân cực kế muon chủ ñộng 27 Hình 3.2: ðịnh nghĩa góc θ 0 29 Hình 3.3: ðồ thị tương quan giữa năng lượng và quãng chạy của positron ñược tính toán từ mô phỏng Monte Carlo cho bia nhôm 31 Hình 3.4: Sơ ñồ sắp xếp các bia dừng chùm muon 32 Hình 3.5: Cấu trúc của các khe trong buồng ño 33 Hình 3.6: Sơ ñồ bố trí của thiết bị tạo từ trường cho một sector 34 Hình 4.1: Sơ ñồ bố trí thí nghiệm 37 Hình 4.2: Hình chụp bố trí thí nghiệm 38 Hình 4.3: Các thiết bị thí nghiệm 39 Hình 4.4: Sơ ñồ sắp xếp của 3 sensor (ñơn vị tính mm) 40 Hình 4.5: Cấu hình cơ bản của flux-gate sensor 41 Hình 4.6: Bố trí sensor 41 Hình 4.7: Thiết lập hệ tọa ñộ cho sensor (ñơn vị tính là mm) 42 Hình 4.8: Cấu hình ño từ trường: a) từ trường thuận; b) từ trường nghịch (phân cực thuận); c) từ trường nghịch (phân cực nghịch) 44 Hình 4.9: Sơ ñồ các mặt phẳng khảo sát (ñơn vị tính là mm) 44 Hình 4.10: Phân bố của B Y (từ trường nghịch) trên các mặt phẳng y = 0, ±12 mm 45 Hình 4.11: Phân bố của B Y (từ trường thuận) trên mặt phẳng y = 0mm 46 7 Hình 4.12: Phân bố của B Y (từ trường thuận) trên các mặt phẳng y = ±12mm và ±30mm 47 Hình 4.13: Các hệ số bất ñối xứng tại y = ±12mm và ±30mm 48 Hình 4.14: ðường cong ñộ từ hóa của một số vật liệu 48 Hình 5.1: Cấu hình của bố trí các dây của MWDC 51 Hình 5.2: Thiết lập hệ ño MWDC 52 Hình 5.3: Sơ ñồ hệ thống vận chuyển khí 53 Hình 5.4: Bình chứa khí và thiết bị ñiều khiển 53 Hình 5.5: Hệ ñiện tử 55 Hình 5.6: Bố trí nguồn phát bức xạ beta 56 Hình 5.7: Phổ ADC thu ñược tại ñầu trái (L) và phải (R) của ba dây ñược khảo sát 58 Hình 5.8: Phổ vị trí của ba dây ñược khảo sát 59 Hình 5.9: Phổ vị trí của dây số 2 theo 4 vùng kênh ADC 60 Hình 5.10: ðồ thị tương quan giữa vị trí và kênh ADC 61 Hình 5.11: Phổ ADC tại ñầu trái của wire-2 với các giá trị cổng thời gian khác nhau 62 Hình 5.12: Phổ vị trí tại dây số 2 và 3 với cổng thời gian 90ns 63 [...]... t lý hay tr u t ng Trong lý thuy t l ng t , cỏc ủ c t nh c a m t h v t lý th ng ủ c di n t d i d ng cỏc toỏn t bi t ủ c m t toỏn t A cú ph i l ủ i x ng (b o ton) hay khụng, ủ nh lý Noether ch ra r ng toỏn t ủú ph i tho món hai ủi u ki n: (a) AH = HA (1.1.1) (b) A /t = 0 (1.1.2) trong ủú H l toỏn t Hamilton, t l th i gian Trong tr ng h p toỏn t A tho món cựng lỳc hai ủi u ki n trờn (giao hoỏn v i toỏn... c u h t s c h p d n trong v t lý h t trong su t th i gian qua L m t trong ba toỏn t c b n c a v t lý hi n ủ i (C charge conjugation, P parity inversion, T time reversal), s b t bi n c a T cú quan h m t thi t v i cỏc ủ i x ng khỏc liờn h v i th gi i h t ph n h t v th gi i ủ i x ng gng S ủ i x ng ngh ch ủ o th i gian (T) ủúng m t vai trũ ủ c bi t trong v t lý h t c b n M t s khỏm phỏ vi ph m T cng... kh o s t k tr c ủú, v n khú cú th bi t ủ c chớnh xỏc trong quỏ trỡnh ti n hnh thớ nghi m do s thay ủ i c a t tr ng trỏi ủ t cng nh s t hoỏ c a cỏc v t li u trong b ph n t Do ủú, s theo dừi v t c a cỏc h t cng cú th cung c p cho chỳng ta thụng tin v s ủ i x ng c a t tr ng ủ c s d ng trong h phõn c c k Ngoi ra, ta cng c n ph i nõng c p b ph n t o t tr ng nh m t o ra m t t tr ng m i m nh hn, cú t nh ủ... cm trong t tr ng 300G v tng t c c a h t v i v t li u d ng s cho ta thụng tin v nng l ng m t m t v t n x Hỡnh 3.3 cho ta th y ủ th m t ủ bi u th s tng quan gi a nng l ng v quóng ch y c a positron trong cỏc t m nhụm Quóng ch y ủõy ủ c xỏc ủ nh nh l ủ sõu ủõm xuyờn l n nh t c a positron trong tr ng h p cú t o ra chựm cỏc h t th c p Do tng quan chộo cú th ủ c nhỡn th y trờn hỡnh, chỳng ta cú th ủ t ng... u tng ng Do ủú, PT cng gi i h n giỏ tr c a GS K t qu cu i cựng c a PT thu ủ c t thớ nghi m E246 l PT = 0.0017 0.0023(stat) 0.0011(syst) (1.12) trong ủú, (stat) l kớ hi u ch sai s th ng kờ v (syst) l kớ hi u ch sai s h th ng Nh ủ c ch ra trong Hỡnh 1.2, Mụ hỡnh Chu n d ủoỏn giỏ tr c a PT r t nh , vo c 107, theo cỏc t nh toỏn loop b c cao Tng t c tr ng thỏi cu i trong mode bỏn-lepton cú th t nh toỏn... cỏc toỏn t C, P, T cng nh s k t h p gi a chỳng v i nhau CP, CT, PT, CPT, Bờn c nh ủú, s vi ph m ủ i x ng CP cng ủó thỳc ủ y cỏc nh khoa h c ti p t c t m ki m d u hi u c a s vi ph m toỏn t cũn l i trong b ba CPT ú 13 chớnh l s vi ph m t nh ủ i x ng th i gian (T- violation) õy l m t trong nh ng lnh v c nghiờn c u ủ c quan t m nhi u nh t trong v t lý h t c b n ngy nay 1.3 S B T B O TON TON T TH I GIAN Toỏn... t nh giỏ tr PT d a vo cụng th c (2.2) N u chỳng ta cú th bi t ủ c v trớ v xung l ng c a muon v positron, s t i t o v t c a muon v positron cú th ủ c th c hi n m t cỏch chớnh xỏc v chỳng ta cú th xỏc ủ nh ủ c s ủ nh h ng gi a positron v muon Gúc ph t c a positron cú th ủ c xem x t khi chỳng ta xỏc ủ nh s phõn b c a positron v bờn trỏi v bờn ph i trong phộp t nh PT Bờn c nh ủú, s b t ủ i x ng c a t tr... gian T (t) = ( t) (1.4) Cỏc lý thuy t v t lý hi n ủ i ủ u d a trờn gi thi t r ng m i h v t lý ủ u b o ton d i s t c d ng k t h p c a c ba toỏn t ủú (ngha l t c d ng ủ ng th i c ba phộp bi n ủ i), nú ủ c g i l s ủ i x ng CPT Núi cỏch khỏc, ủ nh lý CPT ủũi h i t t c cỏc hi n t ng v t lý ủ u ph i ủ i x ng d i s t c d ng c a CPT c bi t, ủ nh lý CPT ph t bi u r ng b t kỡ b t bi n Lorentz no t n t i trong. .. ng th i gian, ủ c bi t l trong th gi i vi mụ S ủ i x ng th i gian ủúng m t vai trũ r t quan tr ng trong v t lý h t c b n s b t bi n c a toỏn t T ủ ng th i cng ủa t i s ủ i x ng liờn quan t i th gi i h t ph n h t hay cũn g i l th gi i ủ i x ng gng Chỳng ta cú th ủa ra m t s ng d ng ch ng h n nh: trong phõn ró ba h t s ủ i x ng th i gian ủũi h i r ng khụng m t s n ph m phõn ró no cú th phõn c c theo... Toỏn t ngh ch ủ o th i gian (T) l toỏn t b o ton cỏc quy lu t v t lý d i s bi n ủ i ủ o ng c d u c a th i gian (thay th t b ng t trong t t c m i cụng th c) S ủ i x ng th i gian b o ton cỏc ủ i l ng ch ng h n nh kh i l ng, ủi n t ch, gia t c c a m t h t, l c v ủi n tr ng; ủ ng th i lm ủ i d u v n t c, xung l ng qu ủ o c a m t h t v t tr ng Cỏc quy lu t c b n c a v t lý c ủi n ch ng h n nh cỏc ủ nh lu t . – KHẢO S T PHÂN BỐ T TRƯỜNG CỦA HỆ PHÂN CỰC KẾ 36 4.1 Thi t lập hệ ño 36 4.2 Sensor ño t trường 40 2 4.3 Hệ số b t ñối xứng 43 4.4 K t quả khảo s t phân bố t trường 43 4.4.1 Khảo s t. trường của hệ phân cực kế: trình bày thí nghiệm kiểm tra mô hình nam châm lưỡng cực t o t trường và t nh toán hệ số b t ñối xứng của phân bố t trường bên trong hai cực nam châm. Chương 5 – Khảo. nghiệm TREK sau này. Chương 3 – Hệ phân cực kế muon chủ ñộng: giới thiệu về hệ phân cực kế mới ñược sử dụng trong thí nghiệm TREK và các thành phần chính của nó. Chương 4 – Khảo s t phân bố t trường