Luận văn Nghiên cứu vật chất tối trong một số mô hình vật lý mới

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu vật chất tối trong một số mô hình vật lý mới

1. ĐẠI HÅC QUẩC GIA HÀ NậI TRƯỜNG ĐẠI HÅC KHOA HÅC TỰ NHIấN NGUYỄN TUẤN DUY NGHIấN CỨU VẬT CHẤT TẩI TRONG MậT Sẩ Mặ HèNH VẬT Lí MẻI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HÅC Hà nởi, 2018
2. ĐẠI HÅC QUẩC GIA HÀ NậI TRƯỜNG ĐẠI HÅC KHOA HÅC TỰ NHIấN NGUYỄN TUẤN DUY NGHIấN CỨU VẬT CHẤT TẩI TRONG MậT Sẩ Mặ HèNH VẬT Lí MẻI Chuyản ngành: Vêt lý lý thuyát và vêt lý toĂn MÂ : 8440130.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HÅC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HÅC: GS.TSKH. NGUYỄN XUÂN HÃN PGS.TS. ĐỖ THỊ HƯƠNG Hà nởi, 2018
3. Lời cÊm ơn Đầu tiản, tụi xin bày tỏ lỏng biát ơn sƠu sưc tới GS.TSKH.Nguyạn XuƠn HÂn và PGS.TS. Đỗ Thị Hương đó tên tẳnh hướng dăn tụi học têp, nghiản cựu, chia s´ nhỳng kinh nghiằm quý bĂu trong suốt thời gian tụi học têp và hoàn thành luên vôn này. Tụi chƠn thành cÊm ơn PGS.TS. Phựng Vôn Đồng, chị Nguyạn Thị NhuƯn và anh Lả Đức Thiằn đó giỳp đỡ ch¿ bÊo Ơn cƯn tên tẳnh cho tụi. ThƯy cụ và cĂc anh chị đó giỳp tụi trang bị nhỳng kián thực chuyản mụn quan trọng, ch¿ bÊo tụi nhỳng điều cƯn thiát cho mởt người nghiản cựu. Nhỳng điều mà tụi học được tứ cĂc thƯy cụ và cĂc anh chị s³ là hành trang vụ cựng quan trọng trản con đường học têp và nghiản cựu sau này. Xin cÊm ơn quẵ thƯy, cụ trong hởi đồng bÊo vằ luên vôn thÔc sĩ đó nhên x²t, đúng gúp vã nởi dung, hẳnh thực trong luên vôn cừa tụi. ChƠn thành cÊm ơn cĂc anh,chị và bÔn b± ở lớp Cao học Vêt lẵ lý thuyát và vêt lẵ toĂn khoĂ QH.2016.T.CH, trường đại học khoa học tự nhiản đó cựng tụi trao đời nhỳng kián thực đó học và cĂc vĐn đề khĂc trong cuởc sống. Cuối cựng tụi xin chƠn thành cÊm ơn gia đỡnh, bÔn b± đó luụn ừng hở động viản để hoàn thành luên vôn này. Hà Nởi, ngày 8 thĂng 8 nôm 2018 NGUYỄN TUẤN DUY
4. Mục lục Mé ĐẦU 1 Chương 1: TấNG QUAN 6 1.1 CĂc bơng chực thực nghiằm cho vêt chĐt tối . . . . . . . . . . . .6 1.2 Điều kiằn cho vêt chĐt tối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 CĂc ựng viản cho vêt chĐt tối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.1 Axion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.2 Neutrino trơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.3 Sneutrino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.4 WIMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4 Tẳm kiám vêt chĐt tối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.1 Tẳm kiám trực tiáp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.2 Tẳm kiám giĂn tiáp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.3 Tẳm kiám trong mĂy gia tốc LHC . . . . . . . . . . . . . . 16 Chương 2: VẬT CHẤT TẩI TRONG Mặ HèNH LƯỠNG TUYẾN HIGGS TRƠ 18 2.1 Tờng quan mụ hẳnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.1 Phờ hÔt và thành phƯn Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Điều kiằn cực tiºu thá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.3 Phờ khối lượng và đồng nhĐt vêt chĐt tối . . . . . . . . . . 21 2.2 Mêt độ tàn dư và tẳm kiám vêt chĐt tối . . . . . . . . . . . . . . . 22
5. 2.2.1 Mêt độ tàn dư vêt chĐt tối H0 ................ 22 2.2.2 Tẳm kiám vêt chĐt tối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Chương 3: VẬT CHẤT TẩI TRONG Mặ HèNH 3-3-3-1 28 3.1 Tờng quan mụ hẳnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.1 Phờ hÔt và cĂc trường Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.2 Tương tĂc Yukawa và ma trên trởn khối lượng cĂc fermion 31 3.1.3 Phờ khối lượng cĂc hÔt HIggs . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.1.4 Khối lượng cĂc gauge boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.5 Tương tĂc fermion và gauge boson . . . . . . . . . . . . . 41 3.2 Đồng nhĐt vêt chĐt tối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3 Mêt độ tàn dư cừa vêt chĐt tối và tẵm kiám chỳng . . . . . . . . . 44 3.3.1 Vêt chĐt tối là fermion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.2 Vêt chĐt tối là vụ hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.3.3 Vêt chĐt tối là hÔt vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.3.4 Tẳm kiám vêt chĐt tối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 58 A CĂc ma trên trởn khối lượng Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 B Ch²o hoĂ ma trên trởn khối lượng cừa cĂc gauge boson bơng phương phĂp gƯn đỳng seesaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6. Danh sĂch thuêt ngỳ viát tưt b bottom c charm CERN European Organization for Nuclear Research CMB Cosmological Microwave Background DM Dark Matter d down e electron νe electron neutrino GR General Relativity GWS Glashow-Weinberg-Salam IDM Inert Doublet Model LHC Large Hadron Collider à muon νà muon neutrino QCD Quantum ChromoDynamics SM Standard Model SUSY Supersymmetry s strange u up t top τ tau ντ tau neutrino V-A Vector-Axial VEV Vacuum Expectation Value WMIP Weakly Interacting Massive Particle WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
7. Danh sĂch bÊng 2.1 BÊng hằ số đỉnh tương tĂc bêc 3 và 4 cừa cĂc hÔt trơ với Higgs. . 22 2.2 BÊng hằ số đỉnh tương tĂc bêc 3 và 4 cừa DM với Higgs và boson chuân.................................... 23
8. Danh sĂch hẳnh v³ 1.1 Đồ thị giỳa vên tốc quay và khoÊng cĂch đến tƠm thiản hà cừa mởt số thiản hà xoưn ốc. Ta thĐy mội thiản hà đều cú xu hướng chung là vên tốc đều tián tới nhỳng giĂ trị khụng đổi khi khoÊng cĂch đến tƠm thiản ha càng xa [49] . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.2 Đồ thị so sĂnh sự phụ thuởc giỳa vên tốc quay và khoÊng cĂch đến tƠm thiản hà cừa vêt chĐt tối, vành, đĩa và khẵ cừa cụm thiản hà NGC 6503 [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 1.3 Ba dÔng tẵn hiằu detector thu nhên trong thẵ nghiằm tẳm kiám trực tiáp vêt chĐt tối cựng với mởt vài tản thẵ nghiằm tương ựng [38] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4 Minh hoÔ ba phương phĂp cho tẳm kiám vêt chĐt tối: tứ trĂi sang phÊi lƯn lượt là tẳm kiám trực tiáp, giĂn tiáp và tẳm kiám tÔi collider [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1 GiÊn đồ Feynman cho đúng gúp chẵnh vào kảnh huỷ H0 thành cĂc hÔt mụ hẳnh chuân qua cờng Higgs (Higgs portal) . . . . . . . . . 23 2.2 Mêt đồ tàn dư như là hàm cừa khối lượng vêt chĐt tối H0..... 24 2.3 Đồ thị mối liản hằ số sự kiằn thu được trong ngày với 1 kg Xe khi hÔt vêt chĐt tối H0 tĂn xÔ hÔt nhƠn Xenon trong detector với khối lượng mH0 trong thẵ nghiằm tẳm kiám trực tiáp. . . . . . . . 25 2.4 Đồ thị mối liản hằ tiát diằn tĂn xÔ độc lêp spin giỳa vêt chĐt tối 0 H với hÔt nhƠn Xe cừa detector vào khối lượng mH0 trong tẳm kiám trực tiáp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5 Đồ thị mối liản hằ tiát diằn huỷ hσvi cừa hai hÔt vêt chĐt tối H0 với khối lượng mH0 trong tẳm kiám giĂn tiáp. . . . . . . . . . . . . 26 3.1 GiÊn đồ Feynman cho quĂ trẳnh huỷ hai hÔt N; N c ra cĂc hÔt trong mụ hẳnh chuân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
9. Danh sĂch hẳnh v³ 3.2 Đồ thị thº hiằn vựng khụng gian tham số cho mêt độ tàn dư đỳng 45 3.3 CĂc giÊn đồ cho đúng gúp chẵnh vào kảnh huỷ X1 ......... 48 3.4 Đồ thị thº hiằn kát quÊ phƠn tẵch tứ LHC cho thĐy khÊ nông vêt chĐt tối là majorana fermion bị loÔi trứ [5] . . . . . . . . . . . . . 49 3.5 Vựng khối lượng mZ0 − mDM mà cĂc thẵ nghiằm tẳm kiám trực tiáp hiằn nay đó khÊo sĂt được: tứ trĂi sang phÊi lƯn lượt là thẵ nghiằm XENON1T-34d [7] , XENON1T-2y [8] và LZ [39]. . . . . 50
10. Mé ĐẦU Tứ buời bẳnh minh đầu tiản cừa vôn minh nhƠn loÔi, nhu cƯu tẳm hiºm vã thá giới tự nhiản đó xuĐt hiằn. TrÊi qua hàng nghẳn nôm lịch sỷ, nhƠn loÔi dƯn dƯn lĩnh hởi được cĂc quy luêt cừa thiản nhiản như quy luêt ngày và đờm, chuyºn động cừa mặt trông, mặt trời... xuĐt phĂt ban đầu tứ nhỳng quan sĂt lý luên thụ sơ cỏn mang nặng quan điểm cừa tụn giĂo, triát học duy tƠm cho đến nhỳng hẳnh thực luên chặt ch³, khoa học chẵnh xĂc duy vêt. Mặc dự đó trÊ lời được mởt phƯn nhỳng cƠu hỏi đú, nhưng sự hiºu biát vã nguồn gốc, bÊn chĐt, quy luêt chi phối hoÔt động cừa vũ trụ văn là mởt trong nhỳng vĐn đề khú khôn nhĐt mà nhƠn loÔi văn đang trản con đường tẳm lời giÊi đĂp. Bơng nhỳng ph²p tẵnh chẵnh xĂc và bơng chựng thực nghiằm ngày nay [17], đó ch¿ ra rơng vêt chĐt trong vũ trụ được cĐu tÔo bởi ba thành phƯn: vêt chĐt thụng thường (ordinary matter) chỳng ta quan sĂt được chiám 5%, gƯn 70% là nông lượng tối (dark energy) , thự mà được coi là nguyản nhƠn cho hiằn tượng giÂn nở gia tốc cừa vụ trụ, và phƯn cỏn lÔi là vêt chĐt tối (dark matter). Vêt chĐt tối và nông lượng tối đều khụng quan sĂt được. Điều này thêt lÔ vẳ theo đú mọi thự chỳng ta trÊi nghiằm ch¿ là mởt phƯn rĐt nhỏ cừa thực tá. Nhưng tằ hơn nỳa là chỳng ta khụng cú manh mối nào vã vêt chĐt tối hay nông lượng tối, hay chỳng hoÔt động ra sao, chỳng ta ch¿ biát chỳng thêt sự tồn tÔi. Lý do vêt chĐt này được gọi là "tối" vẳ chỳng trung hoà điện, khụng hĐp thụ hay bực xÔ điện tứ, "tàng hẳnh" đối với dụng cu quan trưc thiản vôn. Chỳng đổ đầy cĂc thiản hà và mở rởng ra vỏ ngoài thiản hà ở mởt khoÊng cĂch vụ cựng lớn. Chỳng ta ch¿ cú thº nhên biát sự tồn tÔi cừa chỳng mởt cĂch giĂn tiáp qua cĂc hiằu ựng thiản vôn như sự phƠn bố vên tốc hƯu như khụng đổi cừa cĂc sao quanh tƠm thiản hà, hiằn tượng lông kẵnh hĐp dăn, bực xÔ phụng nãn vũ trụ (CMB).. CĂc phƠn tẵch quĂ trẳnh phĂt triºn vũ trụ ch¿ ra rơng, tứ thời điểm đầu lỳc 1