Các quá trình tán xạ có sự tham gia của hạt tựa axion

Đặc biệt là các Thầy trong khoa vật lý lý thuyết, những người Thầy chuẩn mực nhất em từng biết, cùng với tri thức và tâm huyết của mình đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Thị Hà

CÁC QUÁ TRÌNH TÁN XẠ

CÓ SỰ THAM GIA CỦA HẠT TỰA AXION

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Thị Hà

CÁC QUÁ TRÌNH TÁN XẠ

CÓ SỰ THAM GIA CỦA HẠT TỰA AXION

Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán

Mã số: 60440103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hướng dẫn khoa học : GS.TS Hà Huy Bằng

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời biết ơn chân thành đến với GS

TS Hà Huy Bằng Không có sự hướng dẫn của Thầy thì luận văn này khó có thể

hoàn thành được Đối với em Thầy luôn hết lòng hướng dẫn và quan tâm

Qua đây, em cũng chân thành gửi lời cảm ơn tới các Thầy Cô ở Khoa sau đại học và Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Đặc biệt là các Thầy trong khoa vật

lý lý thuyết, những người Thầy chuẩn mực nhất em từng biết, cùng với tri thức và tâm huyết của mình đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn của em

Cuối cùng em gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người thân đã luôn sát cánh bên em

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn luận văn có nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và các bạn

Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn

Hà nội, ngày tháng năm 2014

Học viên

Bùi Thị Hà

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1: TIẾT DIỆN TÁN XẠ TRONG VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 5 1.1.Khái niệm tiết diện tán xạ 5

1.2.Biểu thức tiết diện tán xạ vi phân Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2: CÁC HẠT TỰA AXION TRONG MÔ HÌNH CHUẨN MỞ RỘNG

Error! Bookmark not defined 2.1 Axion trong mô hình PQWW Error! Bookmark not defined 2.2 Các hạt tựa Axion Error! Bookmark not defined 2.3 Một số tương tác cơ bản để tạo hạt tựa axion Error! Bookmark not defined 2.4 Các đỉnh tương tác của hạt tựa Axion với photon và fermion Error! Bookmark not defined

2.4.1 Tensor phản đối xứng hoàn toàn đối với các chỉ số có các tính chất sau:

Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 3: SỰ SINH HẠT TỰA AXION TỪ VA CHẠM e e  Error!

Bookmark not defined.

3.1 Giản đồ Feyman của quá trình sinh hạt tựa axion.Error! Bookmark not defined

3.2 Hàm truyền và đỉnh tương tác Error! Bookmark not defined

3.3 Yếu tố ma trận cho quá trình tán xạ ……… …24

3.4 Tiết diện tán xạ vi phân Error! Bookmark not defined 3.5 Nhận xét chung Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….… 33 PHỤ LỤC ……… 34

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 ……… 30

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 ……… 22

Hình 3.1 ……… 23

Hình 3.2 ……… 23

Hình 3.3 ……… 24

Hình 3.4 ……… 24

Hình 3.5 ……… 26

Hình 3.6.……… 30

MỞ ĐẦU

Vật lý hạt cơ bản ngày nay là một trong những mũi nhọn hàng đầu của vật lý hiện đại, có mục tiêu tìm hiểu, tiên đoán, phân loại, sắp xếp các thành phần cấu thành nên vật chất và khám phá những đặc tính cũng như những định luật cơ bản chi phối sự vận hành của chúng Lĩnh vực này cũng được gọi là vật lý năng lượng cao bởi nhiều hạt cơ bản không xuất hiện ở điều kiện thông thường Chúng chỉ có thể được tạo ra qua các va chạm trong máy gia tốc năng lượng cao

Theo ý nghĩa truyền thống trước đây thì hạt cơ bản là phân tử cuối cùng nhỏ nhất của vật chất không thể phân chia được (không có cấu trúc) Tuy nhiên khái niệm trên không đứng vững theo thời gian Do đó có thể nêu khái niệm này như sau: hạt cơ bản (hạt sơ cấp) là những hạt mà trong mức độ hiểu biết của con người chưa hiểu rõ cấu trúc bên trong của nó, hoặc hạt cơ bản là các hạt có mặt trong “bản

dữ liệu các hạt” của ủy hội các nhà Vật Lý xuất bản hai năm một lần Vậy hạt cơ bản có phải là hạt nhỏ nhất, “cơ bản” nhất trong thế giới vật chất? Thực ra không tồn tại các hạt cơ bản không thể chia nhỏ được, người ta càng đi sâu thì thấy thế giới các hạt cơ bản là vô cùng vô tận Và chính những hạt cơ bản là cơ sở của sự tồn tại của vũ trụ vì vậy mà các nhà khoa học đang không ngừng nghiên cứu, nỗ lực mở

ra tấm màn bí mật các hạt cơ bản

Mô hình chuẩn

Con người luôn đặt cho mình nhiệm vụ tìm hiểu thế giới vật chất được hình thành từ thứ gì, cái gì gắn kết chúng với nhau Trong quá trình đi tìm lời giải đáp cho những câu hỏi đó, càng ngày chúng ta càng hiểu rõ hơn về cấu trúc của vật chất

từ thế giới vĩ mô qua vật lý nguyên tử và hạt nhân cho tới vật lý hạt Các quy luật của tự nhiên được tóm tắt trong Mô hình chuẩn (Standard Model) Mô hình này đã

mô tả thành công bức tranh hạt cơ bản và các tương tác, góp phần quan trọng vào sự phát triển của vật lý hạt Theo mô hình chuẩn, vũ trụ cấu trúc từ 6 hạt quark và 6 hạt nhẹ (lepton) chia đều thành 3 nhóm Các hạt đó kết nối nhau nhờ 4 tương tác cơ bản Thêm nữa, 4 tương tác được thực hiện qua các boson (graviton cho hấp dẫn,

photon ảo cho điện từ, 3 boson trung gian cho tương tác yếu và 8 gluon tương tác mạnh) Tất cả các hạt cấu trúc và hạt mang tương tác đó đã được thấy trong máy gia tốc, trừ graviton

Trong hơn 30 năm qua, kể từ khi Mô hình chuẩn ra đời, chúng ta đã được chứng kiến những thành công nổi bật của nó Mô hình này đã đưa ra một số tiên đoán mới và có ý nghĩa quyết định Sự tồn tại của dòng yếu trung hòa và các véc-tơ bosson trung gian cũng những hệ thức liên hệ về khối lượng của chúng đã được thực nghiệm xác nhận Gần đây, một loạt phép đo kiểm tra giá trị của các thông số điện yếu đã được tiến hành trên các máy gia tốc Tevatron, LEP và SLC với độ chính xác rất cao, đạt tới 0,1% hoặc bé hơn Người ta xác nhận rằng các hệ số liên kết giữa W và Z với lepton và quark có giá trị đúng như Mô hình chuẩn đã dự đoán Hạt Higgs bosson, dấu vết còn lại của sự phá vỡ đối xứng tự phát, những thông tin quan trọng được rút ra từ việc kết hợp số liệu tổng thế có tính đến các hiệu ứng vòng của hạt Higgs đảm bảo sự tồn tại của hạt này Số liệu thực nghiệm cũng cho thấy rằng khối lượng của hạt Higgs phải bé hơn 260 GeV, phù hợp hoàn toàn với dự đoán theo lý thuyết Như vậy, có thể kết luận rằng các quan sát thực nghiệm cho kết quả phù hợp với Mô hình chuẩn ở độ chính xác rật cao Mô hình chuẩn cho ta một cách thức mô tả tự nhiên kích thước vi mô cỡ 10-16

cm cho tới các khoảng cách vũ trụ cỡ 1028 cm và được xem là một trong những thành tựu lớn nhất của loài người trong việc tìm hiểu tự nhiên

Bên cạnh đó, có đến hơn 10 lý do để Mô hình chuẩn - lý thuyết vật lý tốt nhất lịch sử khoa học - không thể là mô hình cuối cùng của vật lý học, trong đó nổi bật là:

- Mô hình chuẩn không giải quyết được các vấn đề có liên quan đến số lượng và cấu trúc các thế hệ fermion Cụ thể, người ta không giải thích được tại sao trong Mô hình chuẩn số thế hệ quark – lepton phải là 3 và mối liên hệ giữa các thế hệ như thế nào

- Theo Mô hình chuẩn thì neutrino chỉ có phân cực trái, ngĩa là không có khối lượng Trong thực tế, các số liệu đo neutrino khí quyển do nhóm Super – Kamiokande công bố năm 1998 đã cung cấp những bằng chứng về sự dao động của neutrino khẳng định rằng các hạt neutrino

có khối lượng

- Mô hình chuẩn không giải thích được các vấn đề sự lượng tử hóa điện tích, sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất, sự bền vững của proton

- Để phù hợp với các sự kiện thực nghiệm, khi xây dựng Mô hình chuẩn, người ta phải dựa vào một số lượng lớn các tham số tự do Ngoài ra, lực hấp dẫn với các cấu trúc khác biệt so với các lực mạnh và điện yếu, không được đưa vào mô hình

- Mô hình chuẩn không tiên đoán được các hiện tượng vật lý ở thang năng lượng cao cỡ TeV, mà chỉ đúng ở thang năng lượng thấp vào khoảng 200 GeV

- Mô hình chuẩn không giải thích được tại sao quark t lại có khối lượng quá lớn so với dự đoán Về mặt lý thuyết, dựa theo Mô hình chuẩn thì khối lượng của quark t vào khoảng 10 GeV, trong khi đó, năm 1995, tại Fermilab, người ta đo được khối lượng của nó là 175GeV

Từ những thành công và hạn chế của Mô hình chuẩn, có thể nhận định rằng đóng góp lớn nhất của mô hình này đối với vật lý học là nó đã định hướng cho việc thống nhất các tương tác trong vật lý học hiện đại bằng một nguyên lý chuẩn Theo

đó, các tương tác được mô tả một cách thống nhất bởi đối xứng chuẩn, còn khối lượng các hạt được giải thích bằng cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát ( cơ chế Higgs)

Mô hình chuẩn mở rộng

Để khắc phục khó khăn hạn chế của mô hình chuẩn các nhà vật lý lý thuyết đã xây dựng khá nhiều lý thuyết mở rộng hơn như lý thuyết thống nhất (Grand unified

theory - GU) , siêu đối xứng (supersymmtry), sắc kỹ (techou - color), lý thuyết Preon, lý thuyết Acceleron, ss

Để khắc phục các khó khăn hạn chế của mô hình chuẩn các nhà vật lý lý thuyết đã xây dựng khá nhiều lý thuyết mở rộng hơn như lý thuyết thống nhất vĩ đại (Grand unified theory – GU), siêu đối xứng (supersymmtry)…

Đặc biệt, để giải quyết vấn đề CP mạnh ( đối xứng liên hợp điện tích và tính chẵn lẻ) cần phải đưa ra các hạt axion hay các hạt tựa axion đối với lý thuyết dây là

lý thuyết mở rộng quan trọng của mô hình chuẩn Các vấn đề về hạt axion đã được nghiên cứu từ hơn 40 năm nay Gần đây người ta chú ý đến nhiều đến các hạt tựa axion (axion -like) xuất hiện trong các lí thuyết thống nhất lớn

Bản luận văn này nghiên cứu các quá trình tán xạ có sự tham gia của hạt tựa axion

Bài luận văn thạc sĩ gồm các phần như sau:

Chương 1: Đưa ra một số kiến thức chung về tiết diện tán xạ trong vật lí hạt

cơ bản

Chương 2: Trình bày các tính chất, đặc điểm của hạt axion và hạt tựa axion,

và các đỉnh tương tác của hạt tựa axion với photon và fermion

Chương 3: Sự sinh hạt tựa Axion từ va chạm e e 

CHƯƠNG 1: TIẾT DIỆN TÁN XẠ TRONG VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN

1.1.Khái niệm tiết diện tán xạ

Giả sử có một hạt bia ở trong một miền không gian A và một hạt đạn đi qua miền không gian này Xác suất tán xạ P được định nghĩa như sau:

(1.1)

trong đó là xác suất tán xạ trong một đơn vị thể tích và được gọi là tiết diện tán xạ toàn phần của quá trình tán xạ Xác suất tán xạ P và miền không gian A đều không phụ thuộc vào hệ quy chiếu là khối tâm hay phòng thí nghiệm Do vậy, tiết diện tán

xạ không phụ thuộc vào hệ quy chiếu ta chọn

Trường hợp tán xạ có nhiều hạt tới và nhiều hạt bia, khi đó tốc độ tán xạ R được định nghĩa như sau:

(1.2) trong đó F là số hạt tới trong một đơn vị thể tích và một đơn vị thời gian:

(1.3) với là mật độ hạt tới, là vận tốc tương đối giữa hai hạt với nhau ( ),

là số hạt bia

Khi đó biểu thức (1.2) được viết lại như sau:

(1.4)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1 Hà Huy Bằng (2010), Lý thuyết trường lượng tử, NXB Đại Học Quốc Gia, Hà Nội

2 Nguyễn Xuân Hãn (1998), Cơ sở lý thuyết trường lượng tử, NXB Đại Học Quốc Gia, Hà Nội

3 Nguyễn Quốc Hoàn , Đặc tính của axion và sự sinh axion trong một số quá trình

tán xạ , Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ (2001)

4 Hoàng Ngọc Long (2008), Cơ sở vật lý hạt cơ bản, NXB Thống Kê, Hà Nội

Tiếng Anh

5 A Ring wald, 1407.0546 ve , hep-ph 2Jul2014

6 Chun-Fu Chang, Kingman Cheung, and TZu-Chiang Yuan (2008), “Unparticle

effects in photon-photon scattering”, Journal of Hinh Energy, 83, pp 291-294

7 Huyn Minlee, Soeng Chan Park and Wan-ll Park,1403.0865 v2, hep-ph 7Oct

2014

8 H Georgi, Phys.Rev.Lett.98,221601(2007)

9 F Bergsma et al.[CHARM Collaberation], Phys G 37,075021 (2010)

10 Joerng Jaeckl, Javier Redando and Andreas RingWaall, 1402.7335 vl, hep-ph

28Fed 2014