CHƯƠNG 3: TÌM KIẾM ĐƠN CỰC TỪ TRONG MÁY GIA TỐC
3.1 Lý thuyết tạo ra đơn cực từ trong máy gia tốc và tính toán các mặt cắt
Các 16Tthí nghiệm16T16Ttìm kiếm16T16Tđược16T16Tthực hiện16T16Ttương đối16T16Tđơn giản16T. 16TTrong thực tế16T, 16Ttìm kiếm16T 16T
đơn cực16T 16Tđã16T16Tđược16T thực16T 16T 16Thiện16T 16Ttrong16T các tương tác eP
+
P
eP
-
P
, ep, p p, 16Tvà pp16T, 16Ttại16T16Tcác16T 16Tva chạm16T 16Tnăng lượng16T16Tcao16T. Ở mỗi máy gia tốc có một giới hạn tìm kiếm khác nhau, ví dụ 16Tcác thí nghiệm với
16T16Tmáy gia tốc16Ttại 16TFermilab16T16Tloại trừ16Tcác đơn cực từ 16Tvới16T16Tkhối lượng16T16Tlên16T 16Tđến16T16T850 GeV16T. 16TCác thí nghiệm16T 16Tvới máy gia tốc16T 16TLEP216T 16Tloại trừ16T 16Tkhối lượng16T 16Tdưới16T 16T10216T 16TGeV16T. 16TCác giới hạn này phụ thuộc vào quá trình vật lý mà theo đó16T16Tđơn cực16T16Tđược16T16Ttạo ra.
Không có mô hình lý thuyết trường nào cho việc tạo ra các đơn cực từ. Mô hình được sử dụng rộng rãi nhất là21T cơ chế Drell-Yan [18], là quá trình tạo ra một cặp lepton (21T 21T) trong va chạm hardon với khối lượng bất biến 21T 21Ttheo cơ chế hủy diệt quark – phản quark.21T Hình3.1 là một sơ đồ Feynman của cơ chế Drell-Yan tạo ra cặp muon và đơn cực – phản đơn cực.
21T
Hình 3.1: quá trình Drell-Yan tạo ra một cặp muon (trái) và cặp đơn cực-phản đơn cực (phải)
21T
Hai sơ đồ trên hình 3.1 cho thấy sự hủy diệt của quark và phản quark tạo ra một photon ảo trung gian, sau đó photon phân rã thành hai lepton (hình bên trái) và thành đơn cưc – phản dơn cực (hình bên phải). Cơ chế sản xuất đơn giản này cho phép ước lượng định tính mặt cắt mà không có phương trình trường thích hợp trong việc tạo ra đơn cực. Trong giới hạn năng lượng cao các quark được xem như những hạt tích tự do và tương tác của chúng đơn thuần là tương tác điện từ. Đây là một phép tính xấp xỉ tốt đối với năng lượng cao 21T 21T, với E là tổng năng lượng của các hạt tới trong tâm của hệ thống khối lượng.
21T
Tính toán tích hợp tất cả mặt cắt của quá trình tạo cặp lepton σ (21T 21T), sau đó tích hợp dσ /dM các mặt cắt chéo từ khối lượng giả định21T21Tđơn cực-phản đơn cực 21T 21T, tính đến cả tác động cộng hưởng boson Z và 21T 21Tphụ thuộc máy tính sử dụng để tính các mặt cắt đơn cực. Các kết quả này sau đó nhân với 21T 21T= 4.692,25, với n = 1, 21T 21T, e là từ tích và điện tích tương ứng. Ta thu được các mặt cắt của sự tạo ra đơn cực 21T
[19] [20]21T. Kết quả được hiển thị trong hình 3.2 đối với các va chạm va chạm pp, AuAu và PbPb phù hợp với năng lượng RHIC và LHC.
Hình 3.2 . Các mặt cắt đơn cực tạo ra bởi cơ chế Drell-Yan thực hiện ở RHIC 500 GeV (pp), 200 GeV/ nucleon (AuAu), và LHC TeV 14 (pp), và 5.5 TeV / nucleon (PbPb).
Các vai trong đường cong mặt cắt là do ảnh hưởng của boson Z.
Các mặt cắt và khối lượng: tính toán các giới hạn mặt cắt trong các va chạm pp ở RHIC và LHC đều đơn giản vì đã biết giá trị độ sáng tích hợp dự kiến. Giả sử hiệu suất máy dò là 50%, chúng ta được các mặt cắt như hình 3.3. Các thí nghiệm với va chạm ion nặng kết quả giới hạn mặt cắt rất thấp hơn va chạm nucleon do giới hạn . Kết quả tính toán thu được khối lượng dưới khoảng 10 GeV với va chạm AuAu ở RHIC. Trong hình 3.3 và hình 3.4 dự đoán mặt cắt Drell-Yan và giới hạn mặt cắt dự kiến ở 95% mức độ tin cậy cho các tương tác pp và PbPb .
Hình 3.3 . Tính toán các mặt cắt tạo bởi cơ chế Drell-Yan và dự kiến giới hạn mặt cắt là 95% CL (dòng ngang) cho các tương tác pp, (màu xanh) và AuAu,
(màu hồng) tại RHIC. Các đường cong màu hồng bao gồm các giới hạn mặt cắt tính cho tương tác γγ (sự gia tăng ) xảy ra trong tương tác AuAu.
Hình 3.4 Tính toán các mặt cắt tạo ra bởi cơ chế Drell-Yan và các giới hạn mặt cắt là 95 % CL (dòng ngang) cho tương tác pp, (màu xanh) và chì chì,
(màu hồng) tại LHC. Các đường cong màu hồng bao gồm giới hạn mặt cắt cho tương tác γγ tương tác(sự gia tăng ) xảy ra trong tương tác chì chì.
So sánh với thử nghiệm tìm kiếm đã công bố:Biểu đồ hình 3.5 và hình 3.6 công bố giới hạn mặt cắt như là một hàm theo khối lượng đơn cực, chồng các mặt cắt đạt được tại RHIC và LHC, thể hiện trong hình 3.2 và 3.3 ở trên. Nhân độ sáng tích hợp của vàng với 231và chì là 256 để tính số nucleon liên quan đến va chạm AuAu hoặc PbPb. Lưu ý bằng cách sử dụng chùm tia proton tại RHIC chúng ta có thể thiết lập các giới hạn mặt cắt thấp
nhất đối với khối lượng đơn cực gần 250 GeV hoặc hơn 100 GeV, nếu đơn cực được tạo ra theo cơ chế Drell-Yan và dự đoán các mặt cắt là hợp lệ.
16T
Hình 3.516T21T Các giới hạn mặt cắt đơn cực từ cổ điển 16T21TDirac16T21T với khối lượng thu được từ các tìm kiếm trực tiếp trong máy gia tốc (nét liền) và các tìm kiếm dán tiếp
(nét đức) với các mặt cắt dự kiến RHIC.
21T
Hình 3.6 Các giới hạn mặt cắt đơn cực từ cổ điển Dirac và khối lượng đơn cực từ thu được từ các tìm kiếm trực tiếp (nét liền) và dán tiếp (nét đứt) với các mặt cắt dự kiến ở LHC