Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án với mục tiêu hiểu và mô tả bản chất của các hạt và tương tác của chúng bằng cách sử dụng các phương pháp toán học. Ba trong số bốn tương tác đã biết và toàn bộ các hạt thực nghiệm khám phá ra đã được mô tả trong mô hình chuẩn (SM - Standard Model). Sử dụng siêu đối xứng, SM có thể được xây dựng thành các lý thuyết thống nhất giải thích được các phần cấu trúc nên SM. Ngoài ra, siêu đối xứng còn có thể giải quyết vấn đề thống nhất các hằng số tương tác, vật chất tối không Baryon.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG ĐẶC TÍNH CỦA CÁC HẠT SIÊU ĐỐI XỨNG TRONG MỘT SỐ MƠ HÌNH CHUẨN MỞ RỘNG Chuyªn ngμnh: VẬT LÝ M∙ sè: 62 44 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ hμ néi 2010 công trình đợc hon thnh I HC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Ng−êi h−íng dÉn khoa häc Ph¶n biện 1: Phản biện 2: Phản biên 3: Luận án tiến sĩ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp nhà nớc họp Viện Nghiên cứu văn hoá vào hồi ngày tháng Có thể tìm đọc luận án tại: - i hc khoa hc t nhiờn - Th viện Quốc gia năm 2010 M U Lí chọn đề tài Mục đích vật lý lượng cao hiểu mô tả chất hạt tương tác chúng cách sử dụng phương pháp toán học Ba số bốn tương tác biết toàn hạt thực nghiệm khám phá mô tả mơ hình chuẩn (SM - Standard Model) Tuy nhiên, có hạt quan trọng tiên đốn SM chưa tìm thấy boson Higgs Bởi vậy, mục đích quan trọng máy gia tốc hệ LHC (Large Hadron Collider) phát hạt Higgs để hoàn thành SM, đo xác khối lượng hạt Higgs tính chất SM chứa ba tương tác biết khơng mơ tả hấp dẫn khơng thể giải thích nguồn gốc tham số Sử dụng siêu đối xứng, SM xây dựng thành lý thuyết thống giải thích phần cấu trúc nên SM Ngồi ra, siêu đối xứng giải vấn đề thống số tương tác, vật chất tối không baryon Việc siêu đối xứng hố mơ hình chuẩn cho đời mơ hình chuẩn siêu đối xứng, người ta đặc biệt quan tâm đến mơ hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu (MSSM) Đây mơ hình mở rộng SM mà dựa nhóm chuẩn SUC (3) ⊗ SUL (2) ⊗ UY (1) nên mơ hình mở rộng SM tiết kiệm Nếu kể thêm tương tác hấp dẫn ta có mơ hình siêu hấp dẫn (SUGRA) Một vấn đề có tính thời vật lý hạt nghiên cứu trình vật lý có tham gia hạt đốn nhận mơ hình chuẩn siêu đối xứng để hy vọng tìm chúng từ thực nghiệm Những trình vật lý thực nghiệm quan tâm hàng đầu phải kể đến trình va chạm e+ e−, va chạm µ+µ− , để sinh hạt q trình rã có tham gia hạt Một phép thử để kiểm tra tính đắn mơ hình chuẩn mơ hình mở rộng vi phạm CP Việc tính đến vi phạm CP cho phép ta xác hố kết trình cung cấp số liệu xác thực cho thực nghiệm trình tìm kiếm hạt siêu đối xứng boson Higgs tiên đoán từ lý thuyết Trong vật lý, giới vật chất xung quanh hình thành tự nhiên, nghiên cứu theo hai xu hướng tưởng trái ngược nhau: giới vô nhỏ nguyên tử, hạt nhân electron, prôton, nơtron, quark gọi giới vi mô giới vô lớn trái đất, mặt trăng, mặt trời, sao, thiên hà vũ trụ học gọi giới vĩ mơ Giữa hướng nghiên cứu có liên hệ với Để hiểu rõ nguồn gốc cấu trúc chất vũ trụ cần đến lý thuyết vật lý có khả thống tất bốn tương tác điện từ, mạnh, yếu hấp dẫn với Theo nhà khoa học, Vũ trụ có tới 95% lượng mà chưa biết đến, gọi "năng lượng tối" (Dark Energy) "vật chất tối" Có tới 23% tồn lượng chứa "vật chất tối" (DM - Dark Matter) Vì vật chất tối khẳng định tồn quan sát tiên đốn lý thuyết, nên ứng cử viên vật chất tối (mà người ta cho hạt bản) tìm kiếm để làm sáng tỏ chất DM Một loại hạt có khả đóng góp vào DM hạt giả vơ hướng nhẹ axion xuất từ vấn đề vi phạm CP mạnh (Strong CP) Trong mơ hình chuẩn siêu đối xứng có chứa axion, √ siêu đa tuyến Φ = s + ia + 2θ˜ a + θ2 FΦ bao gồm axion (a), thành phần vô hướng thực saxion (s) bạn đồng hành siêu đối xứng fermion - axino ˜) Cũng giống axion, saxion axino tương tác yếu với vật chất (a thơng thường, thành viên WIMPs (Weakly interacting massive particles), vật chất tối Tiếp theo, khuôn khổ lý thuyết siêu hấp dẫn nảy sinh gravitino bạn đồng hành siêu đối xứng graviton Gravitino ứng cử viên tiềm DM Trong năm gần đây, nhà vật lý quan tâm đến việc phát hạt máy gia tốc, đặc biệt LHC Tuy nhiên, đặc tính liên quan đến hạt cần phải xác hố hiểu sâu sắc đặc biệt thông qua trình tán xạ, phân rã có tính đến hiệu ứng tương tác với chân không pha vi phạm CP Với lý vừa thình bày, tác giả chọn đề tài nghiên cứu là: "Đặc tính hạt siêu đối xứng số mô hình chuẩn mở rộng" Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu vấn đề đặc tính hạt tiên đốn từ mơ hình chuẩn siêu đối xứng Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp lí thuyết trường lượng tử Các phương pháp khác: So sánh đánh giá; Các phương pháp giải tích phương pháp tính tốn số Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tính chất hạt xuất mơ hình chuẩn siêu đối xứng MSSM, SUGRA Nghiên cứu tiết diện tán xạ độ rộng phân rã trình có tham gia gluino, squark, axion, axino máy gia tốc tuyến tính ảnh hưởng tương tác với chân không gần vòng pha vi phạm CP lên đại lượng Đề cập đến tính chất vật chất tối thang vũ trụ cỡ nhỏ sở chất ứng cử viên Ngồi chúng tơi góp phần làm cho lý thuyết gravitino - ứng cử viên quan trọng vật chất tối hoàn chỉnh Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Các kết luận án xác hố đặc tính hạt siêu đối xứng tiên đoán từ lý thuyết nhằm định hướng cho thực nghiệm phát hạt Luận án cung cấp thêm cho kiến thức để hiểu rõ vật chất tối vi phạm CP Các nghiên cứu luận án góp phần kiểm nghiệm tính đắn mơ hình chuẩn siêu đối xứng hoàn thiện chúng Bố cục luận án Luận án trình bày 115 trang, bao gồm chương, phần mở đầu, phần kết luận phụ lục Nội dung luận án liên quan đến 11 cơng trình khoa học cơng bố Tạp chí khoa học nước, cụ thể là: - đăng Tạp chí International Journal of Theoretical Physics Mỹ, - nhận đăng Tạp chí Chinese Journal of Physics Đài Loan, - đăng Proceedings Hội nghị Vật lý tổ chức Nhật Pháp, - đăng Tạp chí Communications in Physics, - đăng Tạp chí Journal of Science Đại học Quốc gia Hà Nội Chương 1: MƠ HÌNH CHUẨN SIÊU ĐỐI XỨNG TỐI THIỂU VÀ VẬT CHẤT TỐI 1.1 Mơ hình chuẩn Lagrangian tồn phần mơ hình chuẩn có dạng: (1) L = Lgauge + Lfermion + LHiggs + LY ukawa, 1.2 Siêu đối xứng Mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu 1.2.1 Siêu đối xứng Siêu đối xứng đối xứng trạng thái có spin khác 1.2.2 Mơ hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu (MSSM) Phần Lagrangian siêu đối xứng MSSM có dạng sau: d2 θ LSusy = + 1 aα a α a W W + W W + Wsaα Wsα + h.c α α 2 16g 16g 16gs ˆ¯ g Y V d2 θd2 θ¯ Qe + +2gT a V α +2gs Vs ˆ Q a α ˆ¯ g Y V +2gT a V α +2gsVs D ˆ + Uˆ¯ eg Y V +2gT V +2gsVs Uˆ + De ˆ¯ g Y V +2gT a V α E ˆ¯ g Y V +2gT a V α L ˆ + Ee ˆ + Le ˆ¯ eg Y V +H d2 θ + ij +2gT a V α ˆ¯ eg Y V ˆ1 + H H +2gT a V α ˆ2 H ˆ iQ ˆj D ˆ − λu H ˆ iQ ˆ j Uˆ + λe H ˆ iL ˆ j Eˆ − µH ˆ iH ˆj λdH 1 (2) 1.2.3 Cơ chế phá vỡ siêu đối xứng mềm Phần Lagrangian phá vỡ siêu đối xứng mềm có dạng: M1 λ λ + M2 λα λα + M3λαs λαs + h.c − Mq˜2L |˜ qL|2 − Mu˜2L |˜ uL|2 − Md2˜L |d˜L |2 − M˜l2L |˜lL |2 − Me˜2L |˜ eL|2 LSoft = − − m21 |H1 |2 − m22 |H2 |2 + m23 − ij i j ij H1 H2 + h.c ˜ j U˜ + λd Ad H i Q ˜j D ˜ + λe AeH i L ˜j E ˜ + h.c , λu Au H2i Q 1 1.2.4 Các mơ hình phá vỡ siêu đối xứng tự phát 1.2.4.1 Phá vỡ siêu đối xứng qua trung gian hấp dẫn Phá vỡ siêu đối xứng chuyển tới MSSM thông qua tương tác hấp dẫn 1.2.4.2 Phá vỡ siêu đối xứng qua trung gian chuẩn Phá vỡ siêu đối xứng thực qua tuyến "ẩn" chuyển tới MSSM qua tuyến "truyền tin" 1.2.5 Phổ khối lượng hạt MSSM 1.2.5.1 Boson higgs 1.2.5.2 Boson vector 1.2.5.3 Chargino 1.2.5.4 Neutralino 1.2.5.5 Gluino 1.2.5.6 Sfermion 1.2.6 Các tham số MSSM Nếu không bị giả thiết lý thuyết thống nào, MSSM chứa nhiều tham số tự do, bao gồm tham số SM, tham số tuyến Higgs tham số phá vỡ siêu đối xứng mềm 1.3 Vi phạm đối xứng CP Vi phạm đối xứng CP đóng vai trò quan trọng hiểu biết vũ trụ học Một phép thử để kiểm tra tính đắn mơ hình chuẩn MSSM vi phạm đối xứng CP 1.3.1 Vi phạm đối xứng CP mơ hình chuẩn Trong SM: Đối xứng CP bị phá vỡ cách tường minh hệ số tương tác Yukawa phức; Pha δKM nguồn gốc vi phạm CP; Vi phạm CP xuất tương tác dòng tích quark; Vi phạm CP liên quan mật thiết tới tương tác thay đổi số vị 1.3.2 Vấn đề vi phạm CP mạnh SM QCD có cấu trúc chân không phong phú Hiệu ứng θ-chân số hạng không nhiễu loạn Lagrangian hiệu dụng QCD: g a ˜ aµν ¯ LQCD = Lpert + θ F F = Lpert + Lθ (3) 32π µν Từ thực nghiệm ta có giới hạn θ¯ ≤ 10−10 Mặt khác, giá trị "tự nhiên" θ¯ vào khoảng bậc Việc tham số θ¯ 1/td ), thăng giáng mật độ biểu dao động âm tắt dần Điều hạn chế hình thành nên cấu trúc Với khối lượng neutralino mχ = 100GeV , phần khối lượng PressSchechter cho ta thấy số lượng cấu trúc vật chất tối lạnh hình thành thang khối lượng khoảng 20 lần khối lượng Trái đất bị giới hạn Nhiễu loạn mật độ khối lượng bình phương trung bình σ(M ) thể tích chứa khối lượng M giới hạn sau: dσ(M ) M 2/3 ) , ∝( d ln M Md (14) với M