Mô hình 3 3 1 đơn giản và mô hình 3 2 2 1 cho vật chất tối và khối lượng neutrino

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THỊ KIM NGÂN MƠ HÌNH 3-3-1 ĐƠN GIẢN VÀ MƠ HÌNH 3-2-2-1 CHO VẬT CHẤT TỐI VÀ KHỐI LƯỢNG NEUTRINO LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2018 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… NGUYỄN THỊ KIM NGÂN MƠ HÌNH 3-3-1 ĐƠN GIẢN VÀ MƠ HÌNH 3-2-2-1 CHO VẬT CHẤT TỐI VÀ KHỐI LƯỢNG NEUTRINO LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý toán Mã số: 62 44 01 03 Người hướng dẫn khoa học: TS Phùng Văn Đồng GS TS Hoàng Ngọc Long Hà Nội – 2018 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, muốn bày tỏ biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Phùng Văn Đồng GS TS Hoàng Ngọc Long, người thầy tận tình hướng dẫn, quan tâm tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian làm NCS Kế đến, may mắn nhận hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình từ GS TS Đặng Văn Soa TS Lê Thọ Huệ cơng trình nghiên cứu đồng ý cho sử dụng công bố để viết bảo vệ luận án Tôi thật lịng trân trọng điều Bên cạnh đó, giúp đỡ, chia lời thăm hỏi, động viên chân thành TS Đỗ Thị Hương, thành viên, cựu NCS NCS nhóm lý thuyết trường Thầy Hồng Ngọc Long ln nguồn tiếp sức đáng quý cho năm vừa qua Tôi xin cảm ơn Trung tâm Vật lý Lý thuyết Khoa sau Đại học Viện Vật lýViện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành thủ tục hành bảo vệ luận án Tôi gửi lời cảm ơn đến tập thể môn Vật lý, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Cần Thơ tạo điều kiện động viên tơi q trình học tập, nghiên cứu Cuối cùng, biết ơn tất người thân gia đình u thương ủng hộ tơi vật chất lẫn tinh thần suốt thời gian học tập Hà Nội, ngày 04 tháng năm 2017 Nguyễn Thị Kim Ngân LỜI CAM ĐOAN Tôi xin đảm bảo luận án gồm kết mà thân tơi đóng góp thời gian làm nghiên cứu sinh Cụ thể, phần mở đầu giới thiệu hai mơ hình xem xét luận án Trong chương chương hai sử dụng phần kết nghiên cứu thầy hướng dẫn TS Phùng Văn Đồng đồng GS TS Đặng Văn Soa Chương ba kết thực cơng trình nghiên cứu thầy hướng dẫn GS TS Hoàng Ngọc Long hai đồng TS Lê Thọ Huệ GS TS A B Arbuzov Phần kết luận tóm tắt kết luận án đóng góp Cuối cùng, tơi xin khẳng định kết có luận án “Mơ hình 3-3-1 đơn giản mơ hình 3-2-2-1 cho vật chất tối khối lượng neutrino” kết không trùng lặp với kết luận án cơng trình có Nguyễn Thị Kim Ngân i Mục lục Các ký hiệu chung iv Danh sách bảng v Danh sách hình vẽ vi Phần mở đầu Chương Mơ hình 3-3-1 đơn giản 12 1.1 Cấu trúc hạt mơ hình 12 1.2 Phần vô hướng 15 1.3 Phần trường chuẩn 17 1.4 Khối lượng fermion tính bền proton 19 1.5 Dòng trung hòa thay đổi vị (FCNC) 23 Chương Vô hướng trơ vật chất tối 26 2.1 Mơ hình 3-3-1 đơn giản với tam tuyến trơ ρ 27 2.2 Mơ hình 3-3-1 đơn giản với trường lặp lại η 28 2.3 Mơ hình 3-3-1 đơn giản với trường lặp χ 30 2.4 Mơ hình 3-3-1 với lục tuyến vô hướng trơ 31 2.5 2.4.1 Lục tuyến vô hướng trơ X = 32 2.4.2 Lục tuyến vô hướng trơ X = 34 Ước lượng quan sát vật chất tối 37 Chương Mơ hình SU(2)1 ⊗ SU(2)2 ⊗ U(1)Y với tách biệt vị lepton (LNU) 44 ii 3.1 3.2 3.3 3.4 Tóm tắt mơ hình 44 3.1.1 Khối lương fermion mang điện 46 3.1.2 Khối lượng lepton trung hòa 50 3.1.3 Khối lượng boson chuẩn 57 3.1.4 Boson chuẩn trung hòa 57 3.1.5 Boson chuẩn mang điện 59 Dòng 61 3.2.1 Dòng trung hòa 61 3.2.2 Dòng mang điện 64 Phần Higgs 64 3.3.1 Ma trận bình phương khối lượng Higgs boson 66 3.3.2 Phổ vật lý tương tác boson Higgs 66 3.3.3 Boson Higgs mang điện đơn với δ ± thêm vào 72 Hiện tượng luận 75 3.4.1 Đặc điểm khối lượng tham số trộn hạt 75 3.4.2 Tìm kiếm fermion máy gia tốc 77 3.4.3 Tìm kiếm boson Higgs máy gia tốc 79 3.4.4 Nhận xét vật chất tối 82 Phần kết luận 84 DANH SÁCH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 86 Phụ Lục A Phụ Lục B Khối lượng tham số trộn lepton mang điện 87 Khối lượng neutrino từ bổ đính vòng 89 iii Tài liệu tham khảo 90 iv Các ký hiệu chung Trong luận văn sử dụng ký hiệu sau: Tên Viết tắt Mơ hình chuẩn (Standard Model) MHC Hạt có khối lượng tương tác yếu WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) Đối xứng CP (Charge-conjugation and Parity symmetry) CP Đối xứng CP tương tác mạnh Strong-CP Mơ hình 3-3-1 tối thiểu (Minimal 3-3-1 Model) M331M Mơ hình 3-3-1 đơn giản (Simple 3-3-1 Model) S331M Mơ hình 3-3-1 rút gọn tối thiểu (Reduced Minimal 3-3-1 Model) RM331M Dòng trung hòa thay đổi vị (Flavor-Changing Neutral Curent) FCNC Hạt trơ nhẹ (Lightest Inert Particle) LIP Máy gia tốc hadron lớn (Large Hadron Collider) LHC Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu CERN (Conseil Européen pour la Researche Nucléair) Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics) QCD Thuyết thống lớn (Grand Unified Theory) GUT Vật chất tối (Dark Matter) DM Sự tách biệt vị lepton (Lepton-flavor Non-Universality) LNU Mơ hình với hai lưỡng tuyến Higgs (Two-Higgs-Doublet Model) 2HDM v Danh sách bảng 3.1 Tương tác boson Z với fermion, = e, µ, τ ∆e = ∆d = 63 3.2 Tương tác boson W với fermion 65 3.3 Các tương tác h01 , với fi = ei , ui , di ; qi = ui , di (i = 1, 2, 3); q1 = u, d; Q1 = U1 , D1 ; F1 = E1 , U1 , D1 70 3.4 Tương tác boson Higgs mang điện đơn h+ Tương tác ± h± khác với tương tác h1 cách thay: ± ± ± cξ h± → sξ h2 sξ h1 → −cξ h2 74 3.5 + Tương tác h+ với boson chuẩn Xung lượng h1 h01 p+ p0 75 3.6 Tương tác đáng kể xảy h02,3 với fermion boson Higgs 79 3.7 Tương tác boson Higgs trung hòa với CP lẻ, với pa , p+ p0 xung lượng vào , h+ 1,2 , h1 81 vi Danh sách hình vẽ 2.1 Đóng góp q trình hủy Hσ H1± thơng qua hạt trung gian boson Higgs chúng nhẹ hạt mơ hình 3-3-1 đơn giản Ngồi ra, cịn hai đóng góp kênh u khơng liệt kê hình hai kênh suy từ kênh t tương ứng 39 2.2 Đóng góp q trình hủy Hσ H1± thông qua hạt trung gian boson chuẩn chúng nhẹ hạt mô hình 3-3-1 đơn giản Ngồi ra, cịn đóng góp kênh u khơng liệt kê hình kênh suy từ giản đồ kênh t tương ứng 42 2.3 Đóng góp tán xạ Hσ -quark 43 3.1 Bổ đính vịng cho khối lượng neutrino hiệu dụng 52 ... ? ?3? ? + sθ χ± 1, (1. 8) với khối lượng m2h 2 = ? ?1 u + ? ?2 w − (? ?1 u2 − ? ?2 w2 )2 + 4? ?1 ? ?2 − λ 23 u, 2? ?2 λ 23 u2 w2 m2H = ? ?1 u2 + ? ?2 w2 + (? ?1 u2 − ? ?2 w2 )2 + λ 23 u2 w2 λ4 λ4 m2H ± = (u2 + w2 ) w 2 2? ?2. .. hướng xem xét mơ hình 3- 3 -1 tối thiểu [17 , 18 ] vào mơ hình 3- 3 -1 đơn giản,   + − S 13 S 12 √ √ S 2   11 −  S 12  S −− 23 √ S =  √ S 22  ∼ (1, 6, 0)   +2 S 13 S ++ √ √ 23 S 33 2 (2 . 12 ) Tuy nhiên,... trộn t2ϕ √ Z2 = sϕ Z + cϕ Z , 3( 1 − 4s2W )3/ 2 u2 = 2cW w − (1 + 2s2W ) (1 − 4s2W )u2 √ (1. 19) 3( 1 − 4s2W )3/ 2 u2 , 2c4W w2 (1. 20 ) khối lượng chúng m2Z1 m2Z2 Do ϕ = [m2Z + m2Z − (m2Z − m2Z )2 + 4m4ZZ