Nghiên cứu các hạt hyperon lạ ω với độ nhanh 1 9 y 4 9 sinh ra trong va chạm pp năng lượng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ——————————————— NGHIÊN CỨU CÁC HẠT HYPERON LẠ Λ, Ξ, Ω VỚI ĐỘ NHANH 1.9 < y < 4.9 SINH RA TRONG VA CHẠM pp NĂNG LƯỢNG √ s = VÀ TeV TRÊN THÍ NGHIỆM LHCb TẠI CERN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ——————————————— NGUYỄN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU CÁC HẠT HYPERON LẠ Λ, Ξ, Ω VỚI ĐỘ NHANH 1.9 < y < 4.9 SINH RA TRONG VA CHẠM pp NĂNG LƯỢNG √ s = VÀ TeV TRÊN THÍ NGHIỆM LHCb TẠI CERN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 62 44 01 06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Nguyễn Mậu Chung Hà Nội - 2017 PGS TS Trương Biên Lời cam đoan Tên Nguyễn Thị Dung, tác giả luận án tiến sĩ "NGHIÊN CỨU CÁC HẠT HYPERON LẠ Λ, Ξ, Ω VỚI ĐỘ NHANH 1.9 < y < 4.9 SINH RA TRONG VA √ CHẠM pp NĂNG LƯỢNG s = TeV TRÊN THÍ NGHIỆM LHCb TẠI CERN" Bằng danh dự mình, tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, khơng có phần nội dung chép cách bất hợp pháp từ cơng trình nghiên cứu tác giả khác Kết nghiên cứu, nguồn số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo nêu luận án hoàn toàn xác trung thực Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận án Nguyễn Thị Dung iii Lời cảm ơn Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai Thầy hướng dẫn mình, PGS TS Nguyễn Mậu Chung (Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐH Quốc Gia Hà Nội) GS TS Trần Minh Tâm (Đại học Bách Khoa Liên Bang Lausanne, Thụy sĩ), Thầy cho nguồn động lực đam mê với khoa học Các Thầy ln dành thời gian q báu để hướng dẫn, hỗ trợ khuyến khích tơi suốt q trình làm luận án tiến sĩ Tơi muốn gửi lời cảm ơn tới Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội cho điều kiện đăng kí thực luận án tiến sĩ Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới tất Thầy cô đồng nghiệp Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý động viên tạo điều kiện tốt cho tơi cơng việc Tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới GS Aurelio Bay, giám đốc phịng thí nghiệm LPHE, Thầy cho tơi hội sang học tập nghiên cứu phòng thí nghiệm LPHE, Trường ĐH Bách Khoa Liên Bang Lausanne, Thụy sĩ để tơi hồn thành tốt luận án tiến sĩ Luận án không hồn thành khơng có giúp đỡ nhiệt tình buổi thảo luận hữu ích từ đồng nghiệp tôi: GS Tatsuya Nakada, GS Olivier Schneider, Frédéric Blanc, Stéphane Tourneur (LPHE, EPFL), Florin Maciuc (Rumani), từ tất thành viên nhóm QEE LHCb Tơi muốn gửi đến tất Thầy đồng nghiệp lịng biết ơn chân thành Tơi muốn cảm ơn Quỹ Học bổng Odon Vallet GS Trần Thanh Vân ưu cho để có nhiều thời gian cho luận án tiến sĩ Tơi gửi lời biết ơn sâu sắc tới hai bà thư ký đáng kính LPHE: bà Erika Luthi bà Esther Hofmann, hai bà luôn cho hỗ trợ quan trọng sống tơi đến Lausanne Ngồi hỗ trợ cơng việc, muốn cảm ơn tới Thầy đồng hướng dẫn GS TS Trần Minh Tâm vợ Thầy cô Trần Nguyễn Ánh Nga, thầy cô quan tâm, lo lắng cho cảm giác ấm áp xa nhà v Cuối cùng, muốn cảm ơn chân thành tới bố mẹ, em với lịng tin tình u vơ điều kiện họ Tơi biết ơn sâu sắc tới gia đình chồng ln hiểu, cảm thông hỗ trợ công việc gia đình quan trọng chăm sóc cháu nhỏ để tơi n tâm có nhiều thời gian cho luận án Đặc biệt gia đình nhỏ tơi với người bạn đời tuyệt vời Thiều Quang Tùng trai nhỏ Thiều Quang Bảo, nguồn động lực lớn, niềm vui hạnh phúc sống Cảm ơn chồng yêu thương, thấu hiểu, ủng hộ khuyến khích tơi cơng việc Hà Nội, ngày tháng năm vi Tóm tắt Tại thời điểm ban đầu sau Big Bang, vũ trụ tồn trạng thái Quark-Gluon Plasma (QGP), sau quark kết hợp với tạo hadron (proton, neutron, ), hình thành hạt nhân nguyên tử Máy gia tốc LHC thực va chạm pp lượng cao cỡ TeV tạo QGP tương đương với thời điểm khoảng 10−10 s sau Big Bang, cho phép kiểm chứng lý thuyết Như vậy, vật lý hạt (thế giới vi mô) trở thành sở thực nghiệm cho lý thuyết vũ trụ học (thế giới vĩ mô) Do chưa hiểu biết đầy đủ trình tạo quark tương tác mạnh lẫn trình sinh hadron, nhà vật lý phải phát triển mơ hình tượng luận nhằm giải thích q trình Tuy nhiên, mơ hình lý thuyết cho kết khơng hồn tồn tương thích với nhau, nên chúng cần kiểm chứng kết thực nghiệm Bởi quark lạ s có khối lượng nhỏ quark nặng, sinh nhiều va chạm pp máy gia tốc LHC, nên luận án lựa chọn hyperon lạ làm đối tượng nghiên cứu Thêm vào đó, việc phân biệt quark s mang lượng cao tương đối dễ dàng chúng hồn tồn sinh proton ban đầu chứa quark hóa trị u d Thí nghiệm LHCb thu nhận số liệu pp va chạm với lượng cao luminosity lớn so với thí nghiệm trước Tevatron RHIC Mặc dù không detector hai thí nghiệm ATLAS CMS (loại 4π cho phép ghi nhận tất hạt bay sau va chạm vùng độ nhanh [-2, 2]), detector LHCb thiết kế để đo hạt tạo phía trước với độ nhanh cao [2 - 4.9] nơi mà hai detector đo Đây ưu điểm đặc biệt detector LHCb, thêm vào sai lệch mơ hình tượng luận xảy chủ yếu vùng Nghiên cứu sinh trực tiếp tham gia trình vận hành detector LHCb, √ thu thập số liệu chung cho nhóm pp va chạm với hai mức lượng s = TeV Luận án nghiên cứu hyperon lạ điển hình Λ(s), Ξ− (ss), Ω− (sss) kênh phân rã chủ yếu chúng, nghiên cứu quark lạ s chủ đề rộng Mặc dù thực hyperon khác nhau, mức độ quark, ba phân rã tương ứng với trình dịch chuyển quark từ s sang u: s → u + W− u+d Nghiên cứu sinh thực việc nghiên cứu hạt hyperon lạ Λ(s), Ξ− (ss), Ω− (sss) √ sinh thí nghiệm LHCb hai mức lượng s = TeV tương ứng với luminosity fb−1 fb−1 Trong làm việc CERN, việc tham gia vận hành ✲ vii thu nhận số liệu LHCb, tác giả tham gia viết chương trình phân tích song song phần số liệu thật LHCb thu số liệu Monte Carlo tương ứng, nhằm tìm điều kiện tối ưu lựa chọn kiện chứa hyperon Các điều kiện tối ưu nói chương trình phân tích chuẩn thí nghiệm LHCb chấp nhận để thu gọn toàn số liệu thực nghiệm (compact với tỷ lệ với 1/4845 cho Ξ 1/9000 cho Ω) Điều cho phép luận án mang lượng số liệu thật tinh lọc tương đối nhỏ (cỡ chục Tb chứa 59 triệu kiện Ξ Ω) nước để phân tích, hồn chỉnh tiêu chuẩn lựa chọn chạy chương trình nhằm xác định hạt ứng cử cuối Phân tích số liệu thật tương ứng với luminosity fb−1 , luận án xây dựng lại 0.6 triệu hạt hyperon lạ Λ(s) nhằm mục đích kiểm tra phương pháp mà tác giả sử dụng, đồng thời đánh giá sai số hệ thống hai hạt Ξ Ω tái xây dựng từ kênh phân rã có chứa Λ Khoảng 7.45 ×104 hyperon Ξ− (ss) 9.23 ×103 hyperon Ω− (sss) thu từ số liệu năm với tổng luminosity lên tới fb−1 Số lượng ba loại hyperon lạ xác định với sai số hệ thống - %, sử dụng hiệu suất (acceptance) tính từ Monte + + Carlo Phân bố tỷ số phản hyperon/hyperon Λ/Λ, Ξ /Ξ− , Ω /Ω− tỷ số Ω/Ξ theo hai biến động học PT đặc biệt độ nhanh y cho phép kiểm chứng mơ hình tượng luận Kết tỷ số Λ/Λ mà luận án thu không giảm theo độ nhanh cách rõ rệt kết thí nghiệm LHCb cơng bố năm 2011 Kết LHCb 2011 tương thích với số mơ hình lý thuyết tượng luận tính đến vai trị quark tàn dư proton ban đầu Tuy nhiên, có điểm khác hai phân tích: luminosity luận án lớn khoảng 5.5 ×105 lần kết LHCb công bố giới hạn cho Λ loại LL + Kết thu cho thấy phạm vi sai số, tỷ số Ξ /Ξ− không thay đổi nhiều theo PT , thêm vào khơng hồn tồn giảm theo độ nhanh tiên đốn lý thuyết Với thành phần ba quark s, số lượng hạt Ω thu không nhiều so với Λ Ξ nên kết tỷ số + Ω /Ω− có sai số thống kê tương đối lớn Bởi quark s với lượng cao không tồn + proton ban đầu nên mặt lý thuyết tỷ số Ω /Ω− đơn vị không phụ thuộc vào biến động học Kết thu luận án không vậy, vùng độ nhanh PT thấp Kết tỷ số Ω/Ξ luận án giảm theo độ nhanh có xu hướng phù hợp với mơ hình lý thuyết Các phân tích chi tiết cho thấy giá trị độ nhanh cao tốc độ giảm mạnh nhiều so với dự đoán ban đầu Lý thuyết dự đoán tỷ số Ω/Ξ tăng nhẹ theo xung lượng ngang, thực tế kết thực nghiệm cao giá trị mô phỏng, thêm vào tăng nhanh vùng PT lớn Hiện tượng sai lệch lý thuyết thực nghiệm tỷ số Ω/Ξ hệ việc mơ hình lý thuyết tượng luận sử dụng giá trị ngoại suy đầu vào chưa xác, đặc biệt tiết diện hiệu dụng sinh quark s theo hai biến động học y PT Để hồn thiện mơ hình lý thuyết cần phải tính đến q trình hay chế (tái kết nối màu, tương tác nhiều parton, vận chuyển baryon, ), điều dẫn đến vật lý (new physics) viii Mục lục Lời cam đoan iii Lời cảm ơn v Tóm tắt vii Mục lục ix Danh mục ký hiệu chữ viết tắt xi Danh sách bảng xiii Danh sách hình vẽ xvi Mở đầu xxiii Tổng quan Hyperon lạ 1.1 Mơ hình chuẩn 1.2 Hadron 1.3 Hạt lạ 1.4 Các mơ hình tượng luận Thiết bị thực nghiệm 2.1 Máy gia tốc LHC 2.2 Hệ detector vết 2.3 Hệ nhận diện hạt 2.4 Buồng muon 2.5 Trigger 2.6 Chương trình phân tích ix 14 20 28 33 34 41 51 60 62 65 Tái 3.1 3.2 3.3 3.4 xây dựng hyperon lạ Hyperon lạ Tiêu chuẩn lựa chọn hyperon lạ Áp dụng phân tích tồn số liệu thật (Stripping line) Đánh giá phông phân bố khối lượng Hyperon lạ Kết thực nghiệm Λ, Ξ Ω 4.1 Tái xây dựng Λ 4.2 Tái xây dựng Ξ 4.3 Tái xây dựng Ω 4.4 Tỷ số antihyperon/hyperon Ω/Ξ 67 67 69 76 80 87 88 97 112 124 Kết luận 141 Danh mục cơng trình khoa học tác giả liên quan đến luận án 143 Tài liệu tham khảo 145 Phụ lục 151 Phụ lục 157 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Ký hiệu ALICE ATLAS CERN Tiếng Anh A Large Ion Collider Experiment A Toroidal LHC ApparatuS Conseil Européen pour- la Recherche Nucléaire CMS Compact Muon Solenoid CP charge Conjugation Parity DELPHI Detector with Lepton, Photonand Hadron Identification D Downstream track DDD Down-Down-Down DDL Down-Down-Long DLL Delta Log Likelihood DV Decay Vertex ECAL Electric Calorimeter FDCHI2_ Flight Distance χ2 OWNPV with respect to best PV GEM Gaseous Electron Multiplier HCAL Hadronic Calorimeter HLT High Level Trigger HPDs Hybrid Photon Detectors IP Impact Parameter IT Inner Tracker L Long track LHC Large Hadron Collider LHCb Large Hadron Collider beauty xi Tiếng Việt Thí nghiệm ALICE Thí nghiệm ATLAS Trung tâm nghiên cứuhạt nhân châu Âu Thí nghiệm CMS Thí nghiệm DELPHI Vết ngắn Vết ngắn-ngắn-ngắn Vết ngắn-ngắn-dài Delta Log Likelihood Đỉnh phân rã Calorimeter điện từ χ2 quãng bayứng với đỉnh sơ cấp tốt Calorimeter Hadronic Trigger mức cao Thông số ngắm Detector vết bên Vết dài Máy gia tốc LHC Thí nghiệm LHCb ... uus 11 89. 37(0.7) 0.8 018 ±0.0026 Σ0 Σ− Ξ0 Ξ− uds dds uss dss 11 92 . 642 ( 24) 11 97 .4 49( 30) 13 14. 83(20) 13 21. 31( 13) 7 .4? ?0.7? ?10 ? ?10 1. 4 79? ?0. 011 2 .9? ?0. 09 1. 6 39? ?0. 015 Ω− sss 16 72 .45 ( 29) Hyperon 0.8 21? ?0. 011 ... 7 .4? ?10 −20 1. 4 79? ?10 ? ?10 2.6 31? ?10 ? ?10 2 .9? ?10 ? ?10 1. 6 39? ?10 ? ?10 I I3 Q S + +1 −2 0 +1 +1 ? ?1 0 ? ?1 ? ?1 ? ?1 ? ?1 0 ? ?1 1 + −2 2 1 ? ?1 −2 2 2 1+ B 1 1 1 1 + Y +1 +1 0 0 ? ?1 ? ?1 Tính chất cấu tạo quark tám baryon với. .. 2 2 2 2 −2 1. 42 +0.28 −0. 24 × 10 −2 1. 42 ? ?10 1+ 1+ 2 ? ?1 ? ?1 +1 +1 +2 +1 ? ?1 −2 −2 −2 −2 ? ?1 ? ?1 ? ?1 ? ?1 0 ? ?1 ? ?1 4. 42±0.26? ?10 −3 −3 1. 12+0 .13 −0 .10 × 10 C B 0 0 0 0 +1 +1 +1 +1 +2 +2 0 ? ?1 ? ?1 Kênh phân