Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu các hạt hyperon lạ (s, ss, sss) với rapidity 1.9 < y < 4.9 sinh ra trong va chạm pp năng lượng √ s ≥ 7 TeV trên thí nghiệm LHCb

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu các hyperon điển hình như Λ(s), Ξ −(ss), Ω −(sss) trong kênh phân rã chủ yếu của chúng. Mặc dù đây là các quá trình phân rã của ba hạt khác nhau, nhưng ở mức độ quark các kênh phân rã trên tương ứng với cùng một quá trình dịch chuyển quark s.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

———————————————

NGUYỄN THỊ DUNG

NGHIÊN CỨU CÁC HẠT HYPERON LẠ (s, ss, sss) VỚI RAPIDITY 1.9 < y < 4.9 SINH RA TRONG VA CHẠM pp NĂNG

Mở đầu

Theo quan niệm chính thống hiện nay, vũ trụ có nguồn gốc từ vụ

nổ lớn (Big Bang) Tại thời điểm ban đầu vũ trụ tồn tại ở trạngthái Quark-Gluon-Plasma (QGP), sau đó các quark kết hợp với nhau

lên các hạt nhân nguyên tử đầu tiên Mặc dù chúng ta không thểthực hiện Big Bang trong phòng thí nghiệm để kiểm tra lý thuyếtchính thống, những vụ nổ như vậy ở quy mô rất nhỏ có thể được tạo

ra bằng cách va chạm các hạt (ion, proton) tại năng lượng cao Nhưvậy lý thuyết vũ trụ học (thế giới vĩ mô) lại có cơ sở thực nghiệmdựa trên vật lý hạt cơ bản (thế giới vi mô)

Máy gia tốc LHC thực hiện va chạm proton-proton (pp) tại nănglượng cao cỡ TeV cho phép khảo sát QGP tương đương với thời điểm

tạo ra quark trong tương tác mạnh lẫn quá trình hadronization, cácnhà vật lý đành phải phát triển các mô hình hiện tượng luận nhằmgiải thích các quá trình trên Tuy nhiên các mô hình trên cho cáckết quả không hoàn toàn tương thích với nhau nên cần được kiểmchứng bằng các kết quả thực nghiệm

Để góp phần nhỏ bé vào việc thu các kết quả thực nghiệm phục vụmục đích trên, chúng tôi đã chọn nội dung đề tài: Nghiên cứucác hạt hyperon lạ (s, ss, sss) với rapidity 1.9 < y < 4.9

s ≥ 7 TeV trên

quả thực nghiệm cho quá trình sinh ra các quark lạ bằng cách sửdụng số liệu ghi được trên thí nghiệm này.

Các hyperon lạ được lựa chọn làm chủ đề nghiên cứu, bởi vì quark

vì chúng hoàn toàn mới được sinh ra, còn proton ban đầu chỉ chứa

nhau tại năng lượng cao hơn và luminosity lớn hơn (số liệu nhiềuhơn, sai số thống kê giảm đi) Trong khi detector của hai thí nghiệmATLAS và CMS là loại 4π cho phép ghi nhận tất cả các hạt bay rasau va chạm, detector LHCb lại được chế tạo để tập trung đo cáchạt được tạo ra ở phía trước với rapidity cao (2 - 4.9) nơi mà haidetector trên không thể đo được Đây chính là ưu điểm đặc biệt củadetector LHCb do sự sai lệch của các mô hình hiện tượng luận xảy

ra chủ yếu ở vùng này

Mục đích của luận án

quá trình phân rã của ba hạt khác nhau, nhưng ở mức độ quark cáckênh phân rã trên tương ứng với cùng một quá trình dịch chuyển

và đặc biệt là tỷ số Ω/Ξ tại vùng rapidity cao nhằm kiểm định kếtquả của các mô hình lý thuyết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

s = 7 và 8 TeVđược ghi nhận bởi thí nghiệm LHCb Trong quá trình làm luận án,nghiên cứu sinh đã và đang trực tiếp tham gia vận hành thiết bị, thuthập số liệu thực nghiệm chung cho toàn thí nghiệm Sau đó, nghiêncứu sinh tách từ số liệu chung ra phần số liệu chứa các sự kiện hy-peron lạ nhằm phục vụ cho nghiên cứu riêng của mình Để xác địnhcác tiêu chuẩn lựa chọn sự kiện chứa hyperon lạ, ước tính hiệu suấtcủa phương pháp phân tích, nghiên cứu sinh đã tham gia viết và sửdụng chương trình Monte Carlo của thí nghiệm LHCb với mục đíchtạo ra các số liệu mô phỏng Cả số liệu thật lẫn số liệu mô phỏngđều được phân tích bằng một chương trình chung cho phép xác địnhcác tỷ số phản hyperon/hyperon và tỷ số hyperon(sss)/hyperon(ss)

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Các thí nghiệm tại FermiLab (CDF, D0) và tại RHIC (RelativisticHeavy Ion Collider, Brookhaven Nat Lab.) cũng như tại LHC (AT-LAS, CMS, ALICE) đều tối ưu hoá detector của mình nhằm phục

vụ mục đích nghiên cứu cụ thể nên chỉ có thể đo được các hạt tại

biệt để nghiên cứu các B hadron nên có thể đo được trong vùng

đoán kết quả mâu thuẫn với nhau Chính vì vậy kết quả của nghiêncứu này sẽ có một ý nghĩa nhất định trong việc kiểm tra tính đúngđắn của các mô hình trên, đồng thời góp phần tăng sự hiểu biết củachúng ta về các hiện tượng tự nhiên Hầu hết các nghiên cứu sinhcủa thí nghiệm LHCb tập trung theo hướng chủ yếu liên quan đến

vi phạm đối xứng CP Đề tài chúng tôi lựa chọn là hướng nghiêncứu độc đáo cho đến nay chưa có nghiên cứu sinh nào của LHCbtham gia

Cho đến hiện nay, vật lý hạt cơ bản thực nghiệm vẫn là một lĩnh vựcmới mẻ đối với Việt Nam Hiện nay, tại Việt Nam chỉ tồn tại nhómnghiên cứu hạt cơ bản thực nghiệm duy nhất GPHE Nhóm GPHEđược hình thành vào năm 2006 tại Khoa Vật lý - Trường Đại họcKhoa học Tự nhiên Hà Nội với sự giúp đỡ của Trường Bách khoaLiên bang Lausanne EPFL Sau đó, số liệu Monte Carlo DC4 đãđược chuyển về Hà Nội và được phân tích bằng hệ thống máy tínhnhỏ của GPHE, trên đó cài đặt phần mềm của CERN và LHCb Từnăm 2010, nhóm GPHE bắt đầu phân tích các số liệu thực nghiệm(đã chọn lọc) tại Hà Nội Một số học viên cao học và nghiên cứusinh đã được đào tạo trong nhóm nghiên cứu này

được chia thành 4 chương với nội dung như sau:

lạ và mục tiêu nghiên cứu các hyperon lạ

và detector LHCb

Chương 3: Trình bày phương pháp xác lập các tiêu chuẩn lựa chọn

liệu hàng loạt theo chương trình chung của thí nghiệm LHCb

được xác lập và so sánh với các dự đoán của các mô hình hiện tượngluận

Chương 1: Tổng quan về hyperon lạ

Theo mô hình chuẩn, vật chất được tạo thành từ 12 hạt cơ bản (6quark và 6 lepton) và các phản hạt của chúng, các quark và leptonđược ghép thành cặp Các hạt trên tác dụng tương hỗ với nhaukhông ngừng thông qua 3 loại tương tác điển hình (điện từ, yếu,

Trong khi các lepton tồn tại ở trạng thái tự do, quark chỉ xuất hiệntrong trạng thái liên kết: meson, chứa một quark và một phản quark(qq); baryon gồm ba quark (qqq), thí dụ p ≡ uud Các hyperon lạ

lượng cao Để xác định khả năng tạo ra các hadron trong va chạm

pp tại năng lượng cao, các nhà Vật lý đưa ra nhiều mô hình hiệntượng luận khác nhau Trong khi các kết quả tiên đoán lý thuyếtcủa các mô hình trên giống nhau ở vùng rapidity thấp thì chúng lại

Hình 1 Kết quả của các mô hình lý thuyết

Mục tiêu của luận án này là nghiên cứu việc sinh ra các hyperon lạ

7 TeV và 8 TeV, tại vùng rapidity cao Chúng tôi lựa chọn hyperon

lạ bởi vì trước hết quark lạ có khối lượng nhỏ nên được sinh ra rất

có hạt quark hóa trị lạ do đó các quark lạ năng lượng cao chỉ đượcsinh ra trong va chạm của các parton thành phần của proton tới.Các kết quả của luận án (tỷ số phản hyperon/ hyperon) sẽ cho phépkiểm chứng các lý thuyết hiện tượng nói trên

Chương 2: Thiết bị thực nghiệm

Chương này của luận án sẽ tập trung giới thiệu về máy gia tốc LHC

và thí nghiệm LHCb

lớn nhất và có năng lượng cao nhất thế giới hiện nay Máy được đặttrong một đường hầm với chu vi 27 km, nằm ở độ sâu 50 đến 175

m ở vùng giữa Pháp và Thụy sĩ Hai chùm tia proton - proton được

gia tốc và va chạm tại năng lượng cực đại trong hệ khối tâm s =

14 TeV Có 4 thí nghiệm chính trên máy gia tốc LHC là ATLAS,CMS, LHCb và ALICE

Hình 2 Máy gia tốc LHC và thí nghiệm LHCb

tốc LHC được đặt tại điểm tương tác số 8 tại Ferney ở Pháp LHCbdài 20m, rộng 13m, cao 10m nặng 5600 tấn, đo được từ 10 đến 300mrad theo phương thẳng đứng và 250 mrad theo phương nằm ngangtrong giải độ nhanh (rapidity 1.9 <y< 4.9)

Detector LHCb được cấu tạo từ các detector con theo đúng cácphương pháp truyền thống của detector năng lượng cao DetectorVELO (Vertex Locator, bán dẫn silic) dài 1 m, gồm 21 trạm nhằmmục đích xây dựng lại đỉnh sơ cấp (primary vertex) và đỉnh phân

điện được xác định thông qua hệ thống Tracker (detector vết) TT,

IT, OT Hệ gồm hai loại Tracker Silic (hình dải, TT, IT) và Trackerngoài (dạng ống, OT) Nam châm lưỡng cực cảm ứng từ 1.1 Teslatheo phương thẳng đứng dùng để xác định xung lượng của hạt Hai

detector Cherenkov RICH1 và RICH2 dùng để phân biệt các loạihạt hadron Hai loại Calorimeter điện từ và hadron được sử dụng để

đo năng lượng tương ứng của các hạt tương tác điện từ và tương tácmạnh Sau cùng là hệ thống muon gồm 5 nhóm detector với tổngcộng 1380 buồng tỉ lệ nhiều dây Các buồng tỉ lệ này (sử dụng để đonăng lượng muon) được đặt sau những bản che chắn bằng sắt (hấpthụ tất cả các hạt khác trừ muon)

Thu nhận số liệu thực nghiệm

Tương tự như phương pháp gạt nhiễu điện tử trong Vật lý Hạt

thỏa mãn điều kiện khởi phát (Trigger) của hệ thống điện tử LHCb.Mức Trigger L0 này làm giảm tốc độ các sự kiện từ 40 MHz xuống

1 MHz Để làm giảm tốc độ các sự kiện xuống giá trị hợp lý, thínghiệm LHCb còn sử dụng hệ thống khởi phát mức cao (High LevelTrigger) dựa trên việc phân tích thông tin từ các detector (VELOvà/hoặc các trạm T) bằng các phần mềm chuyên dụng

Các bước phân tích

Từ các điểm va chạm của hạt với detector, vết của các hạt tíchđiện được tái xây dựng lại nhờ phần mềm BRUNEL Hạt đượcnhận dạng và các thông số của sự kiện được ghi nhận thành file

số liệu thô DST (Data ) Các nhà Vật lý sử dụng phần mềm

của các hạt muốn nghiên cứu (Λ, Ξ, Ω trong bản luận án này) Phầnmềm PANORAMIX cho phép hiện thị toàn bộ sự kiện hoặc chỉnhững hạt nhà Vật lý quan tâm

Hình 3 Sơ đồ cấu trúc của phần mềm LHCb

Để xác định các tiêu chuẩn lựa chọn sự kiện chứa hyperon lạ, ướctính hiệu suất của phương pháp phân tích, các số liệu mô phỏng đãđược sinh ra bằng chương trình Monte Carlo Các hạt được sinh ra

và EVTGEN thực hiện phần tạo ra hạt và GEANT4 được sử dụng

để mô phỏng các vết do các hạt đó để lại ở các detector con trongthí nghiệm LHCb Các tín hiệu tương tự đó được số hoá nhờ phầnmềm BOOLE rồi được chuyển sang phần mềm BRUNEL củachương trình phân tích chính thống nhằm tạo ra những file số liệu

mô phỏng cùng định dạng DST với file số liệu thật Từ đó trở đi,

cả số liệu thật lẫn số liệu mô phỏng đều được phân tích bằng mộtchương trình chung cho phép xác định các đại lượng vật lý mongmuốn

Chương 3: Tái xây dựng các hyperon lạ

Hyperon lạ

tuy nhiên ở cấp độ quark ba phân rã trên đều tương ứng với một

năng lượng cao không đo được trực tiếp trong thí nghiệm LHCb dothời gian sống ngắn, quãng bay không lớn Vì vậy, cả ba hyperontrên được tái xây dựng thông qua các sản phẩm phân rã

Hình 4 Giản đồ Feymann của hạt Λ, Ξ− và Ω− theo kênh phân rã chính (bên trái) và các loại vết được tái xây dựng trong Detector LHCb (bên phải).

Các hạt con đo được trực tiếp do chúng tạo nên các vết (L và D)trong detector của thí nghiệm LHCb Vết dài (long track) được hìnhthành nên khi hạt bay qua toàn bộ detector vết từ VELO cho đếntrạm T1-T3 cuối cùng Vết ngắn (downstream track) sinh ra khi hạtchỉ bay qua từ TT đến trạm T1-T3

Nguyên tắc xác định tiêu chuẩn lựa chọn hyperon lạ

Vì số liệu thực nghiệm quá lớn nên phải tổ chức phân tích mộtcách hợp lý Trước hết, từ một phần sự kiện thô thu được người ta

sử dụng một số các tiêu chuẩn đơn giản nhất để thu được các sự

liệu minimum bias) Bởi vì chúng tôi nghiên cứu Ξ và Ω trong kênh

chứa hai vết proton và pion có chất lượng tốt không xuất phát từđiểm tương tác Hai vết cùng xuất phát từ một vùng không gianhẹp và tạo nên khối lượng bất biến xung quanh giá trị khối lượng

s = 7 TeV,

trên được phân tích sơ bộ bởi phần mềm Reco12 Stripping17 để lựa

lựa chọn) Từ số liệu minimum bias trên, chúng tôi đã viết chươngtrình để tái xây dựng, phân tích và tìm ra các tiêu chuẩn lựa chọn

χ 2 track /nDoF of (π−,p) < 3 < 3 min χ 2

IP wrt PV of (π−, p) > 9 > 4

Lambda_FDCHI2_OWNPV > 150 > 100 min χ 2

IP wrt PV of (Λ) > 1 > 2

|MΛ− MΛP DG| < 50 MeV/c2 < 50 MeV/c2

Bảng 1 Tiêu chuẩn cắt sơ bộ của hạt Λ0

cho phép đo chúng trực tiếp, nên chúng tôi tái xây dựng hạt này

dowstream track (D) đều được sử dụng để tái xây dựng lại hyperonΛ: LL và DD

|MΞ− MΞP DG| < 50 MeV/c 2 < 50MeV/c 2 < 50MeV/c 2

Bảng 2 Tiêu chuẩn lựa chọn hạt Ξ cho việc thu gọn số liệu

Để xác lập các tiêu chuẩn cắt sẽ được sử dụng để lựa chọn số liệu

Carlo Số liệu MC10 được phân tích và phân bố của các hạt đượcdựng lại và hạt có TrueID được so sánh với nhau nhằm xác định các

cơ bản được điều chỉnh để loại bỏ nhiễu mà thu lại được tín hiệu

nhau bởi vì chúng ta khảo sát kênh phân rã tương tự như nhau (chỉ

|MΩ− MΩP DG| < 50 MeV/c2 < 50MeV/c2 < 50MeV/c2

Bảng 3 Tiêu chuẩn lựa chọn hạt Ω cho việc thu gọn số liệu

nhận trong trường hợp khối lượng tính lại của chúng nằm trong cửa

Áp dụng phân tích toàn bộ số liệu thật

trong chương trình phân tích tổng thể của LHCb để lựa chọn số liệu

Ω mà chúng tôi quan tâm Khoảng 9.21 triệu (28.56 triệu) sự kiện

chứa Ξ và 4.47 triệu (16 triệu) sự kiện chứa Ω thu được sau khi rútgọn số liệu 7 TeV (8 TeV) Sử dụng phần mềm DaVinci, nghiên cứu

Tái xây dựng Hyperon lạ

Sau khi phân tích khoảng 98 triệu sự kiện minbias được ghi nhận

s = 7 TeV với luminosity 1.0

3 10

3 10

×

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3 10

× Total LLL DDL DDD

3 10

×

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

3 10

× Total LLL DDL DDD

3 10

×

(f)

Hình 5 Phân bố khối lượng của hyperon lạ Λ, Ξ, Ω và phân bố theo rapidity tương ứng của chúng

Hyperon Ξ− có chứa hai quark ss nên chúng được sinh ra ít hơn rất

s = 7 TeV được tạo ra để đánh giáhiệu suất tái xây dựng và lựa chọn

Hyperon Số sự kiện Rút gọn sau cùng Số hạt ứng cử Luminosity Ghi chú

Ξ 183 ×10 9 pp 37.77 ×10 6 7.45 ×10 4 3 f b−1 7 + 8 TeV

Ω 183 ×109 pp 20.47 ×106 9.23 ×103 3 f b−1 7 + 8 TeV

Bảng 4 Số hạt Hyperon lạ được tái xây dựng

Sử dụng mô hình khối lượng chúng tôi sẽ đánh giá được tỷ số hạtthật trên phông nền, điều này cho phép xác định được số lượng hạt

bất định sinh ra khi sử dụng các mô hình Monte Carlo khác nhau;

ratio Λ / Λ The

= 7 TeV s LHCb raw

ratio Λ / Λ The

= 7 TeV s LHCb raw

Hình 6 Tỷ số Λ/Λ theo rapidity (bên trái) và theo hàm P T (bên phải).

detector hoạt động không hoàn hảo và sai lệch gây bởi phương phápphân tích Sai số hệ thống do Monte Carlo (tính đến cả va chạmnhiễu xạ diffractive) được ước tính khoảng độ 2 % Phân tích chitiết cho thấy sai số hệ thống (liên quan đến đặc tính của detector)

pháp phân tích cũng đóng góp sai số hệ thống vào kết quả cuối cùng,khoảng 1 % chỉ riêng với việc làm khớp đỉnh phổ khối lượng Dựatrên tất cả các sai số có thể ước tính sai số hệ thống tổng cộng cho

s = 7 TeV (bên trái) và năng lượng √

s = 8 TeV (bên phải).

s = 7 TeV (8 TeV) như là hàm

cho thấy trong phạm vi sai số tỷ số trên không khác một với trường

rapidity như chúng tôi mong muốn Với số liệu thu được tại năng

vào khoảng 6 %

Tỷ số Ω+/Ω−

phụ thuộc vào biến số động học Trên thực tế, việc sử dụng tiêu

s = 8 TeV (bên phải).

s = 7

Ω thu được không nhiều nên kết quả tỷ số Ω+/Ω− có sai số thống

Tuy nhiên kết quả thu được của chúng tôi không hoàn hảo như vậy,

tại năng lượng 7 TeV không được như vậy đặc biệt là vùng rapidity

Ω/Ξ cho phép đánh giá xác suất để xảy ra tương tác giữa hai quarks-d và hai quark s-s

s = 7 TeV Để có thể so sánh với tiên đoán lýthuyết chúng tôi cũng thể hiện trong cùng Hình vẽ trên, kết quả thuđược khi sử dụng các mô hình khác nhau với Monte Carlo Pythia

6 và Pythia 8 Ta nhận thấy các tỷ số thu được từ mô hình Pythia

6 và Pythia 8 gần như bằng nhau và giảm rất chậm theo rapidity.Kết quả thu được của chúng tôi cũng giảm như vậy và thoạt nhìn

của proton kết hợp hai quark ss hoàn toàn mới được sinh ra, trong

giảm theo rapidity Tuy vậy, khi phân tích một cách tỷ mỷ, chúng

ta thấy giá trị của tỷ số trên giảm đi khi rapidity tăng lên, với tốc

độ giảm mạnh hơn rất nhiều so với dự đoán ban đầu Kết quả thu

có vẻ tương thích với tiên đoán lý thuyết

ratio Ξ / Ω The = 7 TeV s LHCb corrected Ξ / Ω

<2GeV

T

corrected P Ξ / Ω Pythia8c Ξ / Ω Pythia6 Ξ / Ω

<2GeV

T

Pythia8c P Ξ / Ω

<2GeV

T

Pythia6 P Ξ / Ω

ratio Ξ / Ω The

= 8 TeV s LHCb

< 2 GeV/c T corrected P Ξ / Ω Pythia8c Ξ / Ω Pythia6 Ξ / Ω

ratio Ξ / Ω The

= 7 TeV s LHCb corrected Ξ / Ω Pythia8c Ξ / Ω Pythia6 Ξ / Ω

ratio Ξ / Ω The

= 8 TeV s LHCb corrected Ξ / Ω Pythia8c Ξ / Ω Pythia6 Ξ / Ω

(d)

Hình 9 Tỷ số Ω/Ξ theo rapidity (bên trên) và theo PT (bên dưới) tại năng lượng √

s =

7 TeV (bên trái) và năng lượng √

s = 8 TeV (bên phải).

tượng sai lệch giữa kết quả thực nghiệm và tiên đoán lý thuyết nhưvậy, mặc dù liên quan đến hiệu ứng hoàn toàn khác Hai tỷ số này