Các quá trình tán xạ có sự tham gia của hạt tựa axion

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Bùi Thị Hà CÁC QUÁ TRÌNH TÁN XẠ CÓ SỰ THAM GIA CỦA HẠT TỰA AXION LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Bùi Thị Hà CÁC QUÁ TRÌNH TÁN XẠ CÓ SỰ THAM GIA CỦA HẠT TỰA AXION Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hƣớng dẫn khoa học : GS.TS Hà Huy Bằng Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời biết ơn chân thành đến với GS TS Hà Huy Bằng Không có hƣớng dẫn Thầy luận văn khó hoàn thành đƣợc Đối với em Thầy hết lòng hƣớng dẫn quan tâm Qua đây, em chân thành gửi lời cảm ơn tới Thầy Cô Khoa sau đại học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Đặc biệt Thầy khoa vật lý lý thuyết, ngƣời Thầy chuẩn mực em biết, với tri thức tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em suốt trình học tập hoàn thành luận văn em Cuối em gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, ngƣời thân sát cánh bên em Do thời gian kiến thức hạn chế nên chắn luận văn có nhiều thiếu sót, mong nhận đƣợc bảo, góp ý thầy cô bạn Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn Hà nội, ngày tháng Học viên Bùi Thị Hà năm 2014 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .5 CHƢƠNG 1: TIẾT DIỆN TÁN XẠ TRONG VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 1.1.Khái niệm tiết diện tán xạ 1.2.Biểu thức tiết diện tán xạ vi phân Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 2: CÁC HẠT TỰA AXION TRONG MÔ HÌNH CHUẨN MỞ RỘNG Error! Bookmark not defined 2.1 Axion mô hình PQWW Error! Bookmark not defined 2.2 Các hạt tựa Axion Error! Bookmark not defined 2.3 Một số tƣơng tác để tạo hạt tựa axion Error! Bookmark not defined 2.4 Các đỉnh tƣơng tác hạt tựa Axion với photon fermion Error! Bookmark not defined 2.4.1 Tensor phản đối xứng hoàn toàn số có tính chất sau: Error! Bookmark not defined 2.4.2 Đỉnh tương tác V ( ,a,  ) Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: SỰ SINH HẠT TỰA AXION TỪ VA CHẠM e e Error! Bookmark not defined 3.1 Giản đồ Feyman trình sinh hạt tựa axion.Error! Bookmark not defined 3.2 Hàm truyền đỉnh tƣơng tác Error! Bookmark not defined 3.3 Yếu tố ma trận cho trình tán xạ ………………………………… …24 3.4 Tiết diện tán xạ vi phân Error! Bookmark not defined 3.5 Nhận xét chung Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….… 33 PHỤ LỤC ………………………………………………………… .34 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 ………………………………………………………………………… 30 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 ………………………………………………………………………… 22 Hình 3.1 ………………………………………………………………………… 23 Hình 3.2 ………………………………………………………………………… 23 Hình 3.3 ………………………………………………………………………… 24 Hình 3.4 ……………………………………………………………………… 24 Hình 3.5 ………………………………………………………………………… 26 Hình 3.6.………………………………………………………………………… 30 MỞ ĐẦU Vật lý hạt ngày mũi nhọn hàng đầu vật lý đại, có mục tiêu tìm hiểu, tiên đoán, phân loại, xếp thành phần cấu thành nên vật chất khám phá đặc tính nhƣ định luật chi phối vận hành chúng Lĩnh vực đƣợc gọi vật lý lƣợng cao nhiều hạt không xuất điều kiện thông thƣờng Chúng đƣợc tạo qua va chạm máy gia tốc lƣợng cao Theo ý nghĩa truyền thống trƣớc hạt phân tử cuối nhỏ vật chất phân chia đƣợc (không có cấu trúc) Tuy nhiên khái niệm không đứng vững theo thời gian Do nêu khái niệm nhƣ sau: hạt (hạt sơ cấp) hạt mà mức độ hiểu biết ngƣời chƣa hiểu rõ cấu trúc bên nó, hạt hạt có mặt “bản liệu hạt” ủy hội nhà Vật Lý xuất hai năm lần Vậy hạt có phải hạt nhỏ nhất, “cơ bản” giới vật chất? Thực không tồn hạt chia nhỏ đƣợc, ngƣời ta sâu thấy giới hạt vô vô tận Và hạt sở tồn vũ trụ mà nhà khoa học không ngừng nghiên cứu, nỗ lực mở bí mật hạt Mô hình chuẩn Con ngƣời đặt cho nhiệm vụ tìm hiểu giới vật chất đƣợc hình thành từ thứ gì, gắn kết chúng với Trong trình tìm lời giải đáp cho câu hỏi đó, ngày hiểu rõ cấu trúc vật chất từ giới vĩ mô qua vật lý nguyên tử hạt nhân vật lý hạt Các quy luật tự nhiên đƣợc tóm tắt Mô hình chuẩn (Standard Model) Mô hình mô tả thành công tranh hạt tƣơng tác, góp phần quan trọng vào phát triển vật lý hạt Theo mô hình chuẩn, vũ trụ cấu trúc từ hạt quark hạt nhẹ (lepton) chia thành nhóm Các hạt kết nối nhờ tƣơng tác Thêm nữa, tƣơng tác đƣợc thực qua boson (graviton cho hấp dẫn, photon ảo cho điện từ, boson trung gian cho tƣơng tác yếu gluon tƣơng tác mạnh) Tất hạt cấu trúc hạt mang tƣơng tác đƣợc thấy máy gia tốc, trừ graviton Trong 30 năm qua, kể từ Mô hình chuẩn đời, đƣợc chứng kiến thành công bật Mô hình đƣa số tiên đoán có ý nghĩa định Sự tồn dòng yếu trung hòa véc-tơ bosson trung gian hệ thức liên hệ khối lƣợng chúng đƣợc thực nghiệm xác nhận Gần đây, loạt phép đo kiểm tra giá trị thông số điện yếu đƣợc tiến hành máy gia tốc Tevatron, LEP SLC với độ xác cao, đạt tới 0,1% bé Ngƣời ta xác nhận hệ số liên kết W Z với lepton quark có giá trị nhƣ Mô hình chuẩn dự đoán Hạt Higgs bosson, dấu vết lại phá vỡ đối xứng tự phát, thông tin quan trọng đƣợc rút từ việc kết hợp số liệu tổng có tính đến hiệu ứng vòng hạt Higgs đảm bảo tồn hạt Số liệu thực nghiệm cho thấy khối lƣợng hạt Higgs phải bé 260 GeV, phù hợp hoàn toàn với dự đoán theo lý thuyết Nhƣ vậy, kết luận quan sát thực nghiệm cho kết phù hợp với Mô hình chuẩn độ xác rật cao Mô hình chuẩn cho ta cách thức mô tả tự nhiên kích thƣớc vi mô cỡ 10-16 cm khoảng cách vũ trụ cỡ 1028 cm đƣợc xem thành tựu lớn loài ngƣời việc tìm hiểu tự nhiên Bên cạnh đó, có đến 10 lý để Mô hình chuẩn - lý thuyết vật lý tốt lịch sử khoa học - mô hình cuối vật lý học, bật là: - Mô hình chuẩn không giải đƣợc vấn đề có liên quan đến số lƣợng cấu trúc hệ fermion Cụ thể, ngƣời ta không giải thích đƣợc Mô hình chuẩn số hệ quark – lepton phải mối liên hệ hệ nhƣ - Theo Mô hình chuẩn neutrino có phân cực trái, ngĩa khối lƣợng Trong thực tế, số liệu đo neutrino khí nhóm Super – Kamiokande công bố năm 1998 cung cấp chứng dao động neutrino khẳng định hạt neutrino có khối lƣợng - Mô hình chuẩn không giải thích đƣợc vấn đề lƣợng tử hóa điện tích, bất đối xứng vật chất phản vật chất, bền vững proton - Để phù hợp với kiện thực nghiệm, xây dựng Mô hình chuẩn, ngƣời ta phải dựa vào số lƣợng lớn tham số tự Ngoài ra, lực hấp dẫn với cấu trúc khác biệt so với lực mạnh điện yếu, không đƣợc đƣa vào mô hình - Mô hình chuẩn không tiên đoán đƣợc tƣợng vật lý thang lƣợng cao cỡ TeV, mà thang lƣợng thấp vào khoảng 200 GeV - Mô hình chuẩn không giải thích đƣợc quark t lại có khối lƣợng lớn so với dự đoán Về mặt lý thuyết, dựa theo Mô hình chuẩn khối lƣợng quark t vào khoảng 10 GeV, đó, năm 1995, Fermilab, ngƣời ta đo đƣợc khối lƣợng 175GeV Từ thành công hạn chế Mô hình chuẩn, nhận định đóng góp lớn mô hình vật lý học định hƣớng cho việc thống tƣơng tác vật lý học đại nguyên lý chuẩn Theo đó, tƣơng tác đƣợc mô tả cách thống đối xứng chuẩn, khối lƣợng hạt đƣợc giải thích chế phá vỡ đối xứng tự phát ( chế Higgs) Mô hình chuẩn mở rộng Để khắc phục khó khăn hạn chế mô hình chuẩn nhà vật lý lý thuyết xây dựng nhiều lý thuyết mở rộng nhƣ lý thuyết thống (Grand unified theory - GU) , siêu đối xứng (supersymmtry), sắc kỹ (techou - color), lý thuyết Preon, lý thuyết Acceleron, ss Để khắc phục khó khăn hạn chế mô hình chuẩn nhà vật lý lý thuyết xây dựng nhiều lý thuyết mở rộng nhƣ lý thuyết thống vĩ đại (Grand unified theory – GU), siêu đối xứng (supersymmtry)… Đặc biệt, để giải vấn đề CP mạnh ( đối xứng liên hợp điện tích tính chẵn lẻ) cần phải đƣa hạt axion hay hạt tựa axion lý thuyết dây lý thuyết mở rộng quan trọng mô hình chuẩn Các vấn đề hạt axion đƣợc nghiên cứu từ 40 năm Gần ngƣời ta ý đến nhiều đến hạt tựa axion (axion -like) xuất lí thuyết thống lớn Bản luận văn nghiên cứu trình tán xạ có tham gia hạt tựa axion Bài luận văn thạc sĩ gồm phần sau: Chƣơng 1: Đƣa số kiến thức chung tiết diện tán xạ vật lí hạt Chƣơng 2: Trình bày tính chất, đặc điểm hạt axion hạt tựa axion, đỉnh tƣơng tác hạt tựa axion với photon fermion Chƣơng 3: Sự sinh hạt tựa Axion từ va chạm e e CHƯƠNG 1: TIẾT DIỆN TÁN XẠ TRONG VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 1.1.Khái niệm tiết diện tán xạ Giả sử có hạt bia miền không gian A hạt đạn qua miền không gian Xác suất tán xạ P đƣợc định nghĩa nhƣ sau: (1.1) xác suất tán xạ đơn vị thể tích đƣợc gọi tiết diện tán xạ toàn phần trình tán xạ Xác suất tán xạ P miền không gian A không phụ thuộc vào hệ quy chiếu khối tâm hay phòng thí nghiệm Do vậy, tiết diện tán xạ không phụ thuộc vào hệ quy chiếu ta chọn Trƣờng hợp tán xạ có nhiều hạt tới nhiều hạt bia, tốc độ tán xạ R đƣợc định nghĩa nhƣ sau: (1.2) F số hạt tới đơn vị thể tích đơn vị thời gian: (1.3) với mật độ hạt tới, vận tốc tƣơng đối hai hạt với ( ), số hạt bia Khi biểu thức (1.2) đƣợc viết lại nhƣ sau: (1.4) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hà Huy Bằng (2010), Lý thuyết trường lượng tử, NXB Đại Học Quốc Gia, Hà Nội Nguyễn Xuân Hãn (1998), Cơ sở lý thuyết trường lượng tử, NXB Đại Học Quốc Gia, Hà Nội Nguyễn Quốc Hoàn , Đặc tính axion sinh axion số trình tán xạ , Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ (2001) Hoàng Ngọc Long (2008), Cơ sở vật lý hạt bản, NXB Thống Kê, Hà Nội Tiếng Anh A Ring wald, 1407.0546 ve , hep-ph 2Jul2014 Chun-Fu Chang, Kingman Cheung, and TZu-Chiang Yuan (2008), “Unparticle effects in photon-photon scattering”, Journal of Hinh Energy, 83, pp 291-294 Huyn Minlee, Soeng Chan Park and Wan-ll Park,1403.0865 v2, hep-ph 7Oct 2014 H Georgi, Phys.Rev.Lett.98,221601(2007) F Bergsma et al.[CHARM Collaberation], Phys G 37,075021 (2010) 10 Joerng Jaeckl, Javier Redando and Andreas RingWaall, 1402.7335 vl, hep-ph 28Fed 2014 [...]...TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1 Hà Huy Bằng (2010), Lý thuyết trường lượng tử, NXB Đại Học Quốc Gia, Hà Nội 2 Nguyễn Xuân Hãn (1998), Cơ sở lý thuyết trường lượng tử, NXB Đại Học Quốc Gia, Hà Nội 3 Nguyễn Quốc Hoàn , Đặc tính của axion và sự sinh axion trong một số quá trình tán xạ , Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ (2001) 4 Hoàng Ngọc Long (2008), Cơ sở vật lý hạt cơ bản, NXB Thống Kê,