Sử dụng LHC để nghiên cứu vi phạm CP trong phân rã của hạt B

Máy gia tốc LHC

Máy gia tốc LHC đã hoạt động ở năng lượng cao nhất so với các thí nghiệm trước đó chẳng hạn như va chạm đối đầu proton – antiproton Tevatron tại Fermilab (USA) với năng lượng = 2 TeV [7].  Thí nghiệm ALICE đặt tại IP2 để đo đạc các hạt sinh ra khi va chạm đối đầu các chùm ion nặng, nhằm nghiên cứu trạng thái plasma của quark và gluon giống như hiện tượng ngay sau Big Bang. Thành phần chính của từ trường hướng theo trục y và là hàm theo trục z như thể hiện trong hình 2.4, trong đó diện tích nằm bên dưới đường cong thể hiện tích phân trên theo thành phần By.

Hệ thống này chỉ ghi lại các vết hướng ngược chiều cho phép xác định sự chồng chất của vết trong miền đối diện cũng như số lượng va chạm ban đầu xảy ra khi chùm tia giao nhau. TT cũng được sử dụng để xác định xung lượng ngang cho vết có tham số va chạm cao, đồng thời được sử dụng phân tích vết trực tiếp nhằm cải thiện tốc độ. Bên cạnh đó, TT còn được sử dụng ước lượng xung lượng của vết có xung lượng nhỏ (như pion chậm được sinh ra từ phân rã ), ngay cả khi chúng bị bẻ cong khỏi acceptance của detector.

Cuối cùng, TT được sử dụng trong phân tích offline để xây dựng lại quỹ đạo của các hạt trung hòa phân rã bên ngoài phạm vi của VELO và các hạt xung lượng thấp bị bẻ cong ra ngoài acceptance của thí nghiệm trước khi tới các trạm vết T1 - T3. Vai trò của tracking station xây dựng lại các vết tích điện dài nhằm xác định xung lượng của chúng; cung cấp quỹ đạo của vết được sử dụng trong detector RICH1; kết quả trên tracking station còn là cơ sở cho sự xây dựng lại tín hiệu trong các thiết bị đo năng lượng và buồng Muon. Các detector RICH sử dụng kết quả của Cherenkov: khi một hạt tích điện truyền qua một môi trường với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường đó thì phát ra bức xạ điện từ (bức xạ Cherenkov).

Bằng cách xác định góc tạo bởi hướng bức xạ Cherenkov với hướng của hạt, có thể xác định được vận tốc của hạt từ đó xác định được khối lượng khi biết xung lượng. Nhiệm vụ của các trigger là lựa chọn các tín hiệu được quan tâm, căn cứ vào hai dấu hiệu: các vết có thông số va chạm lớn và các hạt có xung lượng ngang lớn.

Xây dựng

Chúng ta sẽ chọn một kênh cụ thể để tính toán, sau đó sẽ chia cho tỉ số phân nhánh của kênh phân rã này thì ta sẽ đánh giá được số lượng ban đầu sinh ra trong va chạm đối đầu. Để xác định vi phạm đối xứng CP chúng ta cần chọn hai kênh phân rã cụ thể: một kênh phân rã xác định (là hiệu số pha giữa trạng thái đầu và trạng thái cuối – quyết định vi phạm đối xứng CP “pha trộn cảm ứng”) và một kênh phân rã để xác định tham số (sự khác biệt khối lượng giữa hai trạng thái riêng và của – quyết định đến chu kỳ dao động của giữa ). Trong phần này, trước hết chúng ta sẽ xây dựng B0 từ kênh phân rã cụ thể , nhằm xác định tham số , một tham số trong biểu thức tính toán về vi phạm đối xứng CP và mục đích cuối cùng là kiểm tra và tính toán vị phạm đối xứng CP trong hệ meson B trung hòa.

Như vây, bằng việc chọn một kênh phân rã cụ thể của là được sinh ra từ va chạm đối đầu hai chùm pp ta có thể xây dựng lại trạng thái ban đầu của , từ đó tính toán ngược lại xem tỉ lệ được sinh ra trong một va chạm đối đầu pp. Với mục đích chính là kiểm tra vi phạm đối xứng CP của hệ B meson, ta cần tính toán thành phần từ kênh phân rã (3.4) đã được chọn qua xác xuất dịch chuyển của phân rã này và thành phần được xác định thông qua dịch chuyển (3.10), kiểm tra xem trong thành phần có tồn tại pha phức hay không thì có thể kết luận được vi phạm đối xứng CP của hệ B meson. Với độ chính xác cần đạt đến thì ta sẽ phải tính toán xem cần có bao nhiêu sinh ra trong va chạm đối đầu pp, và khi đó ta sẽ tính toán ngược trở lại xem thời gian cần thiết để thực hiện thí nghiệm, và với thời gian cần thiết đó có phù hợp với điều kiện thực tế không.

Trong tháng 11 – 2011, các nhà khoa học nghiên cứu trên thí nghiệm LHCb tại CERN báo cáo rằng họ đã quan sát thấy vi phạm CP trực tiếp trong phân rã của meson D trung hòa. Như vậy, do thời gian sồng của rất ngắn nên khả năng đo đạc bằng thực nghiệm là rất khó, nên chúng ta có thể xác định nó thông qua các hạt con, như trong kênh phân rã đã được chọn thì chúng ta có thể xác định và. Trong trường hợp sinh ra và phân rã thành và thì khối lượng của và tính toán từ trên có tổng bằng khối lượng của với sai số được chấp nhận đồng thời cũng cần căn cứ vào hướng của xung lượng của các hạt con.

Phương pháp xác định

Cũng giống với bất kỳ một hạt không bền nào thì (và ) cũng nhanh chóng phân rã theo các kênh khác nhau với hệ số phân nhánh khác nhau sau khi được sinh ra từ va chạm đối đầu của hai chùm pp. Quá trình phân rã của các hạt tuân theo định luật phân rã nghĩa là số lượng hạt giảm theo hàm exponent và ở đây meson B cũng không nằm ngoài quy luật đó. Từ đó xuất hiện khái niệm gọi là acceptance của detector, đại lượng phụ thuộc vào dạng hình học, ngưỡng, độ nhạy và thời gian chết của detector.

Vẽ hàm biểu diễn theo thời gian khi xét đến acceptance của detector dựa vào biểu thức (3.16) ta thu được đồ thị như trong hình 3.6. Tuy nhiên trong thực tế do có hiện tượng dao động nên kết quả đo đạc bằng thực nghiệm ngoài quả được sinh ra trong va chạm đối đầu còn có cả. Phần đầu của đồ thị tín hiệu ít bởi khi hạt sinh ra có thời gian sống ngắn thì sẽ không nhạy với acceptance của detector.

Muốn xác định tham số này, chúng ta chỉ xét dao động giữa và , để làm điều đó chúng ta lấy đồ thị phân rã và dao động của trừ cho đồ thị phân rã và dao động của. Trong trường hợp detector là lý tưởng thì hình vẽ thu được có hình sin đều đặn khi đó sẽ dễ dàng cho việc xác định hiệu số. Dạng đồ thị có thể giải thích như sau: ở phần đầu tiên tín hiệu rất nhỏ do acceptance của detector rất nhỏ với hạt có thời gian sống ngắn, ở phần giá trị thời gian lớn đường cong có biên độ giảm dần do ảnh hưởng của hiện tượng phân rã.

Kết quả

Với tập hợp các phần mềm giúp máy tính có thể cài đặt và hoạt động, trong đó công cụ yum hỗ trợ việc tải và cài đặt các gói phần mềm bổ xung dễ dàng. Root là một công cụ mà các nhà khoa học có thể sử dụng để xử lý lượng số liệu lớn, đa dạng và khó khăn với tốc độ nhanh và độ chính xác cao. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì công cụ Root dần được hoàn thiện, việc sử dụng ngày càng trở nên dễ dàng và được sử dụng rộng rãi.

Với các nhà Vật lý nghiên cứu về hạt cơ bản và năng lượng cao (cụ thể là vật lý B) đã phát triển Root cho mục đích nghiên cứu của mình, phần mềm Roofit là sản phẩn của quá trình này. Kết quả đầu tiên là đồ thị khối lượng của và thể hiện như trong hình 3.11 và 3.12, trong đó đường nét liền là đồ thị theo lý thuyết và chấm tròn là kết quả từ phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Chúng ta có thể thấy rằng, khi số sự kiện lối vào càng lớn thì các chấm tròn nằm ngoài đường lý thuyết giảm hay kết quả thực nghiệm càng phù hợp với lý thuyết.

Đồng thời, khi số sự kiện lối vào càng lớn thì đồ thị thực nghiệm càng khớp với đồ thị lý thuyết (hay số điểm thực nghiệm (chấm tròn xanh đậm) nằm trên đường lý thuyết (đường nét liền) tăng lên). Ở phần đầu của đồ thị số lượng và ít bởi acceptance của detector không đo được các hạt có thời gian sống quá ngắn, còn phần sau của đồ thị giảm xuống bởi hiện tượng phân rã. Từ đồ thị chúng ta thấy khi số sự kiện lựa chọn càng lớn thì sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm càng tăng lên và kết quả càng chính xác hơn.