Luận văn thạc sĩ Vật lý nguyên tử, Hạt Baryon, Phương pháp đo hạt, Vật lý

Vật chất trong mô hình chuẩn được tạo thành từ 12 hạt cơ bản có spin 1/2 hay còn gọi là fermion cơ bản 6 quark, 6 lepton và tương tác thông qua bốn loại tương tác cơ bản tương tác mạnh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Đàm Thị Linh

VA CHẠM p – p TẠI NĂNG LƯỢNG 10TeV

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Đàm Thị Linh

VA CHẠM p – p TẠI NĂNG LƯỢNG 10TeV

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN MẬU CHUNG

Hà Nội – Năm 2014

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người luôn ở bên động viên và giúp đỡ tôi

Đàm Thị Linh

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU……… 1

Chương 1 - BARYON LẠ ΛS0 2

1.1 Mô hình chuẩn 2

1.1.1 Lepton 2

1.1.2 Quark 3

1.1.3 Tương tác 4

1.2Hadron 5 1.2.1 Meson 6

1.2.2 Baryon 6

1.3Quark lạ 7 1.3.1 Meson lạ (K0S) 7

1.3.2 Barion lạ ( ɅS) 9

Chương 2 - THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 11

2.1Máy gia tốc LHC 11 2.1.1 Luminosity 12 2.1.2 Năng lượng hệ khối tâm 13

2.2Thí nghiệm LHCb 13 2.2.1 Mục đích thí nghiệm 13

2.2.2 Detector 14

2.2.3 Phần mềm phân tích 18

Chương 3- KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 22 3.1 Phương pháp xây dựng 0

S

 223.2Kết quả 26

3.2.1 Điều kiện cắt 26 3.2.2 Histogram và nhận xét 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Giản đồ meson ……… ……… 6

Hình 1.2 Giản đồ baryon ……… ………… 7

Hình 1.3 Kênh phân rã chính của KS0 ……….8

Hình 1.4 Thí nghiệm phát hiện K0 và Lambda ………9

Hình 2.1 Máy gia tốc LHC………11

Hình 2.2 Lưỡng cực siêu dẫn LHC………13

Hình 2.3 Detector LHCb………14

Hình 2.4 Cấu tạo của VeLo………14

Hình 2.5 Cấu tạo của TT, IT và O……… 16

Hình 2.6 Cấu tạo của RICH1 và RICH2………17

Hình 2.7 Cấu tạo của buồng Muon……… …….18

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc của phần mềm LHCb……… 19

Hình 2.9 Các loại vết khác nhau: long, upstream, downstream,VELO và T….21 Hình 3.1 Kênh phân rã chính của 0S………23

Hình 3.2 Hàm phân bố m0 ……… 24

Hinh 3.3 Khối lượng m0 sau khi cắt PT ……….25

Hình 3.4 Khối lượng M0sau khi cắt PID……….26

Hình 3.5 Khối lượng M0……….27

Hình 3.6 Khối lượng M0 sau khi fit……….28

Hình 3.7 PT của 0S……… 29

Hình 3.8 Rapidity của 0 S  ……….30

Hình 3.9 IP của 0 S  ……… 31

Hình 3.10 Cosin của 0S……….31

Hình 3.11 Cosin của 0……… 32

Chúng tôi đã xây dựng lại thành công hạt Λ0 tức thời khi phân tích 2.4 triệu sự kiện

va chạm proton – proton ở năng lượng √ =10 TeV tại detector LHCb Luận văn nghiên cứu và đưa ra phương pháp đo hạt, các tiêu chuẩn cắt được áp dụng cho Λ0Sđược xây dựng lại theo kênh phân rã Λ0 pπ- Kết quả thu được phù hợp với kết quả của PDG ( Particle Data Group)

Chương 1 BARYON LẠ 0

1.1 Mô hình chuẩn

Mô hình chuẩn là mô hình vật lý hạt duy nhất ngày nay cho phép giải thích được tất cả các quan sát thực nghiệm trong vũ trụ Vật chất trong mô hình chuẩn được tạo thành từ 12 hạt cơ bản có spin 1/2 hay còn gọi là fermion cơ bản ( 6 quark,

6 lepton) và tương tác thông qua bốn loại tương tác cơ bản ( tương tác mạnh, tương tác điện từ, tương tác yếu, tương tác hấp dẫn)

1.1.1 Lepton

Lepton là một loại hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất trong mô hình chuẩn Electron là một lepton đã được biết đến từ rất lâu Ngoài ra còn có muon và tauon Chúng nặng hơn rất nhiều so với e Lepton trung tính còn được gọi là neutrinos, kí hiệu ν Các neutrino khác nhau luôn đi kèm với một lepton tích điện tương ứng ( bảng 1.1) Ví dụ, trong phân rã β của hạt nhân, một electron e được phát cùng với một neutrino dạng electron νe

Có 6 loại lepton được xếp thành 3 thế hệ là ( e, νe), ( μ, νμ), ( τ, ντ) Electron

có khối lượng nhỏ nhất trong các lepton tích điện Muon và tau có khối lượng nặng hơn, chúng không bền và phân rã tự phát thành electron, neutrino và một hạt khác Thời gian sống trung bình của muon là 2.2 x 10-6 s, còn tau chỉ sống được 2.9 x 10-

13 s Electron ở trạng thái bền và là lepton tích điện phổ biến nhất trong vũ trụ Trong khi, muon và tauon chỉ có thể được tạo ra trong các va chạm năng lượng cao như trong máy gia tốc hạt hay từ tia vũ trụ [1]

Lepton tích điện đầu tiên là electron được giả thuyết từ giữa thế kỷ thứ 19 và được phát hiện năm 1897 bởi J J Thomson Muon được tìm ra bởi Carl D Anderson vào năm 1936 Neutrino electron (νe) được giả thuyết bởi Pauli năm 1930

để giải thích bản chất phân rã β của hạt nhân và được chứng minh vào năm 1956 Leon M Lederman, Melvin Schwartz tìm ra νμ năm 1962, ντ được phát hiện vào năm 1999

Bảng 1.1: Các fermion cơ bản

Hạt Loại Q/|e Leptons e µ τ -1

e   0 quarks u c t

d s b 1

3



1.1.2 Quark

Quark là hạt cơ bản, chúng mang điện tích + |e| hoặc - |e| và không tồn

tại ở trạng thái tự do Tổ hợp các quark tạo thành các hạt được gọi là hadron, ví dụ như proton (uud) và neutron ( udd)

Có 6 loại quark là up (u), quark dow (d), quark strange (s), quark charm (c), quark bottom (b) và quark top (t) được liệt kê trong bảng 1.1 Trong bảng, khối lượng các quark tăng từ trái qua phải Các quark nặng hơn biến đổi rất nhanh về quark u và quark d tuân theo quá trình phân rã hạt Quark u và d là các quark bền, phổ biến nhất trong vũ trụ Quark s, c, t, b chỉ có thể được sinh ra trong các va chạm năng lượng cao như máy gia tốc hạt hoặc trong các tia vũ trụ

Mỗi loại quark có 3 màu khác nhau R (red), B (blue), G (green) Điện tích của các quark u, c, t là 3 x 3 x = 6|e|, của các quark d, s, b là -3 x 3 x = -3 |e|, của lepton là -3 x 1 |e| = -3|e| Tổng điện tích của tất cả các fermion là zero

1.1.3 Tương tác

 Tương tác mạnh hay lực mạnh là một trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên, chúng tồn tại giữa các hạt quark, phản quark và gluon – hạt truyền tương tác của chúng Lực mạnh giữ các quark lại với nhau để hình thành các hadron như proton và neutron Ngoài ra còn giữ các hadron lại trong hạt nhân của một nguyên tử chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton đó là lực điện từ Bán kính tương tác vào khoảng 10-13 cm, ngoài khoảng cách này, tương tác mạnh gần như biến mất

 Tương tác điện từ hay lực điện từ tồn tại giữa các hạt mang điện tích như electron hay quark, có độ lớn khoảng 1042

lần so với lực hấp dẫn Hạt truyền tương tác là photon γ Hai hạt cùng điện tích sẽ đẩy nhau và ngược điện tích

sẽ hút nhau Trái đất, mặt trời và các hành tinh do chúng trung hòa về điện nên chúng không có lực điện từ

Quá trình lượng tử hóa lực điện từ được miêu tả trong thuyết điện động lực học lượng tử, hay còn gọi là thuyết QED Lực điện từ là một lực có biên độ

vô hạn, nó tuân thủ theo nghịch đảo bình phương khoảng cách giống như lực hấp dẫn

Lực điện từ giữa electron và proton là lý do để cho electron nằm trên quỹ đạo của hạt nhân

 Tương tác yếu hay lực yếu, xảy ra ở mọi hạt cơ bản, trừ các hạt photon và gluons, ở đó có sự trao đổi của các hạt truyền tương tác là vector boson W và boson Z

Tương tác yếu xảy ra ở một biên độ rất ngắn, bởi vì khối lượng của những hạt boson W và boson Z vào khoảng 80 GeV Nguyên lý bất định bức chế

chúng trong một khoảng không là 10-18 m, kích thước này chỉ nhỏ bằng 0,1%

so với đường kính của proton Trong điều kiện bình thường, các hiệu ứng của chúng là rất nhỏ Có một số định luật bảo toàn hợp lệ với lực tương tác mạnh và lực điện từ, nhưng lại bị phá vỡ bởi lực tương tác yếu

Mặc dù có biên độ và hiệu suất thấp, nhưng lực tương tác yếu lại có một vai trò quan trọng trong việc hợp thành thế giới mà ta quan sát thấy ngày nay

 Tương tác hấp dẫn tồn tại giữa tất cả các loại hạt có khối lượng, là lực yếu nhất trong bốn lực cơ bản của tự nhiên Lực xuất hiện ở thang đo lớn như thang thiên văn học Hạt truyền tương tác là graviton và không được mô tả trong mô hình chuẩn

Bảng 1.2: Các loại tương tác và các boson truyền tương tác

Tương tác Hạt truyền tương tác Spin/parity

1.2.1 Meson

Meson là các hạt hadron có spin nguyên ( boson), chứa một cặp quark và phản quark ( ̅ ), có số baryon B = 0, được tiên đoán vào năm 1935 bởi nhà vật lý người Nhật Yukawa Hideki Sự tồn tại của meson được kiểm chứng vào năm 1947 bởi nhóm các nhà vật lý người Anh Cecil Frank Powell khi phát hiện meson π ( pion ) trong tương tác của tia vũ trụ Tất cả các meson đều không bền, thời gian sống trong khoảng từ 10-8 s đến 10-22 s Khối lượng trung bình cỡ vài trăm MeV

Hình 1.1: Giản đồ meson

1.2.2 Baryon

Baryon hay còn gọi là baryon fermion là các hạt hadron có spin bán nguyên, tạo thành từ tổ hợp ba quark ( qqq) và ba phản quark ( ̅̅̅̅̅) Các baryon có số baryon B = 1 Ví dụ, trong hạt nhân có thành phần là các fermion, proton và neutron Các baryon khác như Δ, λ, Ω đều tồn tại rất ngắn, chúng thường không xuất hiện trong hạt nhân, mà chỉ được hình thành trong các phản ứng va chạm sau

đó phân rã thành các hạt khác

Hình 1.2 : Giản đồ baryon

1.3 Quark lạ

Quark lạ kí hiệu (s) là hạt cơ bản thuộc nhóm quark thế hệ thứ hai trong mô hình chuẩn ( bảng 1.1 ) Lý thuyết về hạt Strange đươc đưa ra vào năm 1964 bởi Murray và George Zweig Nó được tìm thấy trong các hadron

1.3.1 Meson lạ (K 0 S )

Meson lạ là hạt meson có tổ hợp 2 quark trong đó có chứa 1 quark s Đặc biệt là hạt Kaon trung hòa, có hai thành phần của hạt này, chúng cùng khối lượng nhưng thời gian sống khác nhau

Một hạt được gọi là k – zero – short K0S ( ̅) ( ( ̅ ))

√

Hạt còn lại là K – zero – long K0L ( )̅ ( ( ̅ ))

√ Hai hạt này là tổ hợp của ̅ và ̅ Chúng phân rã thành các pion

Kaon trung hòa có vai trò quan trọng giúp chúng ta hiểu về quá trình quark Hạt được phát hiện đầu tiên năm 1940 được gọi là meson τ và Ф Hai hạt cùng khối lượng, nhưng sản phẩm phân rã có tính chẵn lẻ khác nhau Nhà vật lý lý thuyết T

D Lee và C N Yang đưa ra năm 1956 rằng tính chẵn lẻ không bảo toàn trong tương tác yếu Năm 1957 Chien – Shiung Wu chỉ ra vi phạm tính chẵn lẻ này trong phân rã beta của Co Croin và Fitch năm 1964 chỉ ra rằng có vi phạm CP nhỏ trong phân rã kaon, do đó Kaon đã đóng vai trò trung tâm trong việc tranh cãi về đối xứng

từ thời điểm đó

Rochester và Bulter phát hiện ra hạt có thời gian sống ngắn của Kaon trung hòa ( K0S) năm 1946, họ đã quan sát được một chữ “V” trong buồng khí Kaon trung hòa không để lại vết trong buồng khí, do đó chữ V là của các pion để lại ( hình 1.4)

Hình 1.3: Kênh phân rã chính của K0S

Hình 1.4: Thí nghiệm phát hiện K0 và Lambda0

1.3.2 Baryon lạ ( Ʌ S )

Baryon lạ là hạt hadron được tổ hợp từ 3 quark trong đó có chứa một quark s

Ví dụ như hạt lambda trung hòa, kí hiệu Λ0S

Năm 1947, khi nghiên cứu tương tác của các tia vũ trụ, đã tìm thấy một hạt

có thời gian sống dài hơn dự kiến: 10-10 s thay cho 10-23 s, trong số các sản phẩm sau va chạm giữa proton và hạt nhân Hạt này được gọi là Lambda (Λ ) Do thời gian sống của nó dài hơn rất nhiều so với dự kiến nên được gọi là “lạ”, từ đó Gell – Mann và Nishijima dẫn đến giả thiết về sự tồn tại quark thứ ba trong thành phần của hạt này Quark này được gọi là “quark lạ”- strange, kí hiệu là s Do đó hạt Lambda

Trước đó người ta dự kiến thời gian sống Lambda cỡ 10-23 s bởi vì Lambda

là baryon nên nó sẽ phân rã do tương tác mạnh Thực tế Lambda lại có thời gian sống dài hơn nên chắc chắn phải có sự chi phối của một định luật bảo toàn mới, đó

là định luật “bảo toàn số lạ” Định luật này sẽ ngăn cấm các phản ứng phân rã do tương tác mạnh, tương tác điện từ mà không bảo toàn số lạ Nhưng trong tất cả các phản ứng phân rã của Lambda thì các định luật bảo toàn số lạ đều bị vi phạm

̅ ̅

Các sản phẩm phân rã đều có số lạ bằng không Vì vậy, sự phân rã của hạt Lam bda phải gây nên bởi tương tác khác, yếu hơn nhiều so với tương tác điện từ và tương tác mạnh, gọi là tương tác yếu

Tương tác yếu sẽ biến quark lạ thành quark up và quark down Hệ quả là, hạt Lambda bị phân rã thành các hạt không lạ Do tương tác rất yếu nên Lambda có thời gian sống dài hơn

Chương 2 THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM

2.1 Máy gia tốc LHC

LHC ( Large Hadron Collider) là đường hầm có chu vi 27 km, nằm sâu 100

m dưới lòng đất giữa biên giới hai nước Pháp và Thụy Sĩ và là máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới hiện nay ( hình 2.1) LHC được thiết kế cho hai chùm proton đối chiều

va chạm nhau ở năng lượng của hệ quy chiếu khối tâm √ = 10 TeV

Có 4 thí nghiệm chính trên máy gia tốc LHC là ATLAS, CMS, LHCb và ALICE Trong đó ATLAS và CMS tập trung nghiên cứu hạt boson Higgs và SUSY ALICE nghiên cứu quark – gluon plasma Vi phạm đối xứng CP và vật lý B là mục đích chính của thí nghiệm LHCb

b) Chu trình gia tốc hạt của LHC Hình2.1: Máy gia tốc LHC

Máy gia tốc LHC không thể gia tốc hạt proton trực tiếp tới mức năng lượng 5 TeV mà thực hiện theo một chu trình như hình 2.1 (b) Đầu tiên, chùm proton được gia tốc tới 50 MeV nhờ máy gia tốc thẳng LINAC và được bơm vào 2 vòng PBS (

trước khi bơm vào Super Proton Synchrotron (SPS) SPS có nhiệm vụ gia tốc hạt đạt tới 450 GeV và đẩy vào vòng LHC Từ trường 8.34 T của nam châm siêu dẫn giúp LHC gia tốc hạt proton tới năng lượng 5 TeV [2]

Hiệu suất va chạm được đặc trưng chủ yếu bởi 2 thông số là: năng lượng gia

tốc hạt và luminosity ( độ trưng) Trong đó năng lượng gia tốc hạt là năng lượng của chùm khi chúng thực hiện va chạm và luminosity là tốc độ va chạm Các nhà vật lý hạt cơ bản quan tâm đến các va chạm có cả năng lượng và luminosity cao Họ hi vọng LHC sẽ trả lời được các vấn đề mà mô hình chuẩn chưa giải quyết được

F



 (2.1)

Trong đó Nb là số hạt trong một nhóm, nb số nhóm trong một chùm, ν là tần

số quay và F là hệ số nhóm được mô tả bởi hình học của chùm L tăng khi mật độ của nhóm trong chùm, số hạt trong mỗi nhóm và tần số va chạm tăng

Hình 2.2: Lưỡng cực siêu dẫn LHC

LHC thiết kế cho 2 chùm proton va chạm có luminosity là 1034 cm-2s-1 Đó là

2 buồng chân không riêng biệt, mỗi buồng được đặt trong từ trường với hướng đối lập nhau ( hình 2.2) Mỗi chùm proton gồm 2808 nhóm, 1 nhóm gồm 1011 proton với tần số quay là 11245Hz, và chu kỳ là 25ns giữa 2 lần hội tụ liên tiếp

2.1.2 Năng lƣợng hệ khối tâm

LHC được thiết kế năng lượng va chạm trong hệ quy chiếu khối tâm là√ =

10 TeV Tức là năng lượng của mỗi chùm proton tại thời điểm va chạm là 5 TeV

Để đạt tới mức năng lượng này, từ trường của LHC phải được tăng lên 8.3 T Trong trường hợp này LHC đã chọn gia tốc hạt nặng proton bởi vì nếu ta gia tốc electron như các thí nghiệm trước thì năng lượng mất đi bởi bức xạ hãm là rất lớn

2.2 Thí nghiệm LHCb

2.2.1 Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm LHCb ( Large Hadron Collider beauty ) là một trong 4 thí nghiệm chính của máy gia tốc LHC Được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu vi

phạm đối xứng CP thông qua các phân rã hiếm của hadron chứa quark b (còn gọi là meson B)

M5 M4 M3 M2

HCAL ECAL SPD/PS M1