Luận văn Cơ chế seesaw cho sinh khối lượng neutrino trong một số mở rộng của mô hình chuẩn

Nội dung tài liệu: Luận văn Cơ chế seesaw cho sinh khối lượng neutrino trong một số mở rộng của mô hình chuẩn

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 GIANG THANH THỦY CƠ CHẾ SEESAW CHO SINH KHỐI LƢỢNG NEUTRINO TRONG MỘT SỐ MỞ RỘNG CỦA MÔ HÌNH CHUẨN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT HÀ NỘI, NĂM 2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 GIANG THANH THỦY CƠ CHẾ SEESAW CHO SINH KHỐI LƢỢNG NEUTRINO TRONG MỘT SỐ MỞ RỘNG CỦA MÔ HÌNH CHUẨN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã ngành: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN TS. PHÙNG VĂN ĐỒNG Hà Nội, năm 2016
3. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn, Thầy cô, Gia đình và bạn bè. Đầu tiên tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Phùng Văn Đồng, TS. Đỗ Thị Hƣơng – Viện vật lý – người Thầy, Cô đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quý báu của Thầy, Cô để tôi có thể tiếp thu và hoàn thành luận văn này, cũng như hiểu hơn về tự nhiên, cuộc sống. Xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ đã nhận xét, đóng góp về nội dung, hình thức trong luận văn của tôi. Tôi xin cảm ơn Phòng sau đại học và khoa Vật Lý trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi tham gia đầy đủ các môn học trong toàn khóa học. Xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô trong tổ Vật lý lý thuyết trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 và quý Thầy, Cô thuộc trung tâm Vật lý lý thuyết thuộc Viện Vật lý, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, đã truyền đạt cho tôi những kiến thức vật lý từ cổ điển đến hiện đại, làm nền tảng để tôi hoàn thành luận văn. Chân thành cảm ơn các bạn học viên lớp Cao học Vật lý lý thuyết và vật lý toán khóa 18 Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 đã cùng tôi trao đổi những kiến thức đã học và các vấn đề trong cuộc sống. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn các thành viên trong gia đình, cơ quan, đồng nghiệp và sở giáo dục và đào tạo Yên Bái đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành khóa học. Hà Nội, ngày 15 tháng 7 năm 2016 Giang Thanh Thủy
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được chỉ rõ ngồn gốc. Hà Nội, ngày 15 tháng 7 năm 2016 Giang Thanh Thủy
5. MỤC LỤC Danh sách thuật ngữ viết tắt ............................................................................... 1 MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 2 1.GIỚI THIỆU .................................................................................................. 5 1.1 Mô hình chuẩn và một số hạn chế ................................................................ 5 1.2 Khối lượng Dirac và Majorana .................................................................... 7 1.3 Cơ chế seesaw ............................................................................................ 10 2. MÔ HÌNH CHUẨN 2.1 Đối xứng chuẩn và toán tử điện tích .......................................................... 11 2.2 Sắp xếp hạt fermion và vô hướng .............................................................. 12 2.3 Cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát và cơ chế Higgs trong mô hình chuẩn .... 16 2.4 Tại sao khối lượng neutrino triệt tiêu ......................................................... 21 3. CƠ CHẾ SEESAW 3.1 Cơ chế seesaw kiểu I ................................................................................. 23 3.2 Cơ chế seesaw kiểu II ................................................................................. 28 3.3 Cơ chế seesaw nghịch đảo ......................................................................... 32 3.4 Đánh giá các thang seesaw ......................................................................... 34 Kết luận ............................................................................................................ 35 Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 36
6. 1 Danh sách thuật ngữ viết tắt e electron 𝜇 muon tau electron neutrino muon neutrino tau neutrino u up d down c charm s strange t top b botton SM Standad Model V- A Vecto – Axial GVHD: TS. PHÙNG VĂN ĐỒNG HVTH: GIANG THANH THỦY
7. 2 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Với những gì chúng ta đã biết hiện nay thì neutrino đã sinh ra khoảng 15 tỉ năm về trước, rất sớm sau sự khai sinh vũ trụ. Kể từ đó, vũ trụ liên tục giãn nở, lạnh đi và neutrino đi theo con đường riêng của nó. Về mặt lí thuyết, hiện nay chúng rất nhiều và tạo thành một bức xạ nền vũ trụ có nhiệt độ 1,9 Kelvin (-271,2 độ C). Các neutrino vũ trụ khác được sinh ra trong cuộc đời của các sao và vụ nổ siêu sao mới. Những cột mốc chính trong lịch sử nghiên cứu neutrino đã được[ 7 ] liệt kê như sau: Năm 1930: Wolfgang Pauli đề xuất sự tồn tại của neutrino để giải thích vấn đề bảo toàn năng lượng trong phân rã beta. Năm 1934: Enrico Fermi đề xuất một lí thuyết bao hàm hạt giả thuyết của Pauli mà ông đặt tên là neutrino ( tiếng Italy nghĩa là hạt trung hòa bé nhỏ). Hans Bethe và Rudolf Peierls tính được xác suất neutrino tương tác với vật chất là cực kì nhỏ và kết luận rằng không có cách nào thực tiễn quan sát được neutrino. Năm 1956: Một đội khoa học dưới sự chỉ đạo của các nhà vật lý Frederick Reines và Clyde Cowan quan sát thấy bằng chứng đầu tiên của neutrino bằng cách dò tìm các phản neutrino electron sinh ra bởi lò phản ứng hạt nhân tại Nhà máy điện Savannah River. Năm 1957: Bruno Pontecorvo nêu lí thuyết rằng các neutrino có thể dao động, hay biến đổi từ dạng này sang dạng khác. Năm 1958: Các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven xác định được rằng luôn luôn thuận trái(chiều spin của chúng ngược với chiều chuyển động của chúng). Năm 1962: Một đội khoa học dưới sự chỉ đạo của Leon Lederman, Mel Schwartz và Jack Steinberger khám phá sự tồn tại của một loại neutrino thứ 2, neutrino muon, trong một thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven. GVHD: TS. PHÙNG VĂN ĐỒNG HVTH: GIANG THANH THỦY
8. 3 Năm 1968: Nhà hóa học Ray Davis là người đầu tiên phát hiện các neutrino electron do Mặt Trời sinh ra. Tuy nhiên, thí nghiệm của ông tại khu mỏ Homestake chỉ phát hiện một phần ba số lượng neutrino mặt trời đã dự đoán, đưa đến bài toán neutrino mặt trời. Năm 1973: Các nhà khoa học thuộc nhóm hợp tác Gargamelle tại CERN lần đầu tiên quan sát thấy sự tán xạ dòng trung hòa của một neutrino khỏi một electron, chỉ dấu sự tồn tại của một hạt mang lực mới, sau này được khám phá là boson Z. Năm 1975: Sự tồn tại của neutrino tau được nêu ra sau khi Martin Perl và đồng sự tại phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC lần đầu tiên phát hiện lepton tau tích điện. Năm 2001: Nhóm hợp tác SNO ở Canada công bố bằng chứng đầu tiên của dao động neutrino mặt trời. Năm 2002: Nhóm hợp tác SNO ở Canada công bố bằng chứng thuyết phục của dao động neutrino mặt trời. Ray Davis và Masatoshi Koshiba cùng chia giải Nobel Vật lý cho phát hiện đầu tiên của các neutrino có nguồn gốc vũ trụ. Năm 2004: Nhóm hợp tác KamLAND ở Nhật Bản công bố bằng chứng của sự xuất hiện lại phản neutrino electron khi ghi nhận các phản neutrino được tạo ra bởi một lò phản ứng hạt nhân, một chỉ dấu của dao động neutrino. Năm 2005: Nhóm hợp tác KamLAND công bố phát hiện đầu tiên của neutrino địa cầu, tức các neutrino được tạo ra bên trong Trái đất. Năm 2010: Nhóm hợp tác OPERA tại phòng thí nghiệm quốc gia Gran Sasso ở Italy là nhóm đầu tiên phát hiện neutrino tau trong một chùm neutrino muon. Neutrino muon đã dao động trên đường đi của nó từ CERN đến Gran Sasso. Năm 2015: Takaaki Kajita thuộc thí nghiệm Super- Kamiokande và Arthur McDonald thuộc thí nghiệm SNO chia giải Nobel Vật lý cho những đóng góp của họ trong việc phát hiện các dao động của neutrino. Với những bằng chứng thực nghiệm nêu trên thì neutrino có khối lượng khác không. Tuy nhiên trong mô hình chuẩn (SM) về vật lý hạt cơ bản người ta chỉ đưa neutrino trái và không có neutrino phải nên khối lượng neutrino GVHD: TS. PHÙNG VĂN ĐỒNG HVTH: GIANG THANH THỦY
9. 4 bằng không trái với thực nghiệm nói trên. Chính vì vậy chúng ta cần mở rộng mô hình chuẩn để giải quyết vấn đề khối lượng của neutrino. Bằng chứng thực nghiệm đã liệt kê ở trên chứng tỏ neutrino có khối lượng và khối lượng của chúng là nhỏ và chúng có sự trộn lẫn. Để giải quyết vấn đề này người ta đưa ra hai cơ chế để giải quyết. Đó là cơ chế bổ đính và cơ chế seesaw. Theo các cách này chúng ta phải mở rộng đối xứng của nhóm chuẩn hoặc mở rộng phổ hạt. Do đó chúng ta có thêm nguồn gốc vi phạm số lepton và chúng là nguồn gốc sinh ra các quá trình vật lý giải quyết các vấn đề Leptogenesis. Chính vì vậy, trong luận văn này tôi chọn đề tài cơ chế seesaw cho sinh khối lượng neutrino trong một số mở rộng của mô hình chuẩn ". 2. Mục đích nghiên cứu Xác định khối lượng neutrino, khắc phục khó khăn của mô hình chuẩn. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Giúp hiểu về thế giới hạt neutrino, hạt cơ bản, - Các cơ chế seesaw cơ sở. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Neutrino, vật lý hạt cơ bản. 5. Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết trường lượng tử và giản đồ Feyman. 6. Những đóng góp mới của đề tài Thông qua các cơ chế seesaw đưa vào mô hình chuẩn hạt mới. Hy vọng được thực nghiệm kiểm chứng trong thời gian gần nhất. GVHD: TS. PHÙNG VĂN ĐỒNG HVTH: GIANG THANH THỦY
10. 5 NỘI DUNG Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Mô hình chuẩn và một số hạn chế Mô hình chuẩn là mô hình mô tả 3 trong 4 loại tương tác cơ bản của tự nhiên. Đó là các tương tác: - Tương tác mạnh - Tương tác điện từ - Tương tác yếu. Nhóm đối xứng chuẩn mô tả 3 loại tương tác trên là . Chính vì vậy, trong mô hình chuẩn sẽ chứa 8 hạt gluons không khối lượng đóng vai trò truyền tương tác mạnh. Ba hạt bosons chuẩn có khối lượng , truyền tương tác yếu. Hạt còn lại là hạt photon truyền tương tác điện từ. Chi tiết về sắp xếp hạt và tương tác của các hạt trong mô hình chuẩn sẽ được trình bày ở chương II. Thông qua cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát thì các hạt vật chất như e, 𝜇 , u, d, c, s, t, b có khối lượng. Các khối lượng của các hạt vật chất và các truyền tương tác được tiên đoán trong SM đã được thực nghiệm kiểm chứng với độ chính xác rất cao. Ngoài ra, các hiện tượng luận tiên đoán từ SM cũng được kiểm chứng toàn bộ thông qua các máy gia tốc năng lượng cao (LHC). Đến thời điểm hiện tại thì SM được coi là một trong các mô hình của vật lý hạt cơ bản được khớp với thực nghiệm tốt nhất. Tuy nhiên, bên cạnh những thành công thì mô hình chuẩn còn có những hạn chế nhất định: 1. SM mới chỉ mô tả được ba trong bốn loại tương tác cơ bản. 2. Trong SM, các neutrino được xem là có khối lượng bằng không, số lepton thế hệ được bảo toàn. Tuy nhiên, thực nghiệm đã xác nhận các neutrino có khối lượng nhỏ khác không và có sự trộn lẫn, số lepton thế hệ không bảo toàn. 3. SM không trả lời được câu hỏi tại sao chỉ có ba thế hạt hạt femion. 4. SM không giải thích được tại sao lại có sự lượng tử hóa điện tích (các điện tích gián đoạn, có giá trị bằng bội lần điện tích nguyên tố). GVHD: TS. PHÙNG VĂN ĐỒNG HVTH: GIANG THANH THỦY