bộ giáo dục và đào tạo viện hàn lâm khoa học và công nghệ vn viện vật lý trần đình thám vật chất tối trong một số mô hình 3-3-1 mở rộng Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số: 62 44 01 03 luận án tiến sĩ vật lý Người hướng dẫn khoa học GS. TS. Đặng Văn Soa Hà Nội - 2014 Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến GS. TS. Đặng Văn Soa đã hướng dẫn tôi học tập, nghiên cứu trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và giúp tôi hoàn thành luận án này. Xin cảm ơn GS. TS. Hoàng Ngọc Long, TS. Phùng Văn Đồng, TS. Đỗ Thị Hương, TS. Lê Thọ Huệ, ThS. Cao Hoàng Nam - Viện Vật lý và TS. Nguyễn Huy Thảo, TS. Hà Thanh Hùng - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ và có nhiều đóng góp đối với kết quả của luận án. Tôi xin cảm ơn Trường Đại học Phạm Văn Đồng nơi tôi đang công tác đã có những hỗ trợ và động viên cần thiết trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. Xin cảm ơn Viện Vật lý là cơ sở đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình làm nghiên cứu sinh và bảo vệ luận án. Cuối cùng, tôi xin dành sự biết ơn sâu sắc tới gia đình đã động viên, ủng hộ và hỗ trợ vô điều kiện về mọi mặt để tôi có thể yên tâm nghiên cứu và bảo vệ thành công luận án này. ii Lời cam đoan Luận án này là kết quả mà bản thân tôi đã thực hiện trong thời gian làm nghiên cứu sinh tại Viện Vật lý. Cụ thể, chương một là phần tổng quan giới thiệu những vấn đề cơ sở có liên quan đến nội dung của luận án. Trong chương hai tôi đã sử dụng kết quả nghiên cứu mà tôi đã thực hiện cùng với thầy hướng dẫn GS. TS. Đặng Văn Soa và GS. TS. Hoàng Ngọc Long. Chương ba tôi sử dụng các kết quả nghiên cứu cùng với TS. Phùng Văn Đồng - Viện Vật lý và đồng nghiệp là TS. Hà Thanh Hùng - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2. Chương bốn là biện luận ý nghĩa vật lý dựa trên các kết quả đã nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin cam đoan và khẳng định rằng, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả có trong luận án "Vật chất tối trong một số mô hình 3-3-1 mở rộng" là kết quả mới, không trùng lặp với bất kỳ luận án hay công trình nào đã công bố. Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2014 Tác giả luận án Trần Đình Thám iii Mục lục Lời cảm ơn ii Lời cam đoan iii Các ký hiệu chung vi Danh sách bảng vii Danh sách hình vẽ viii Mở đầu 1 1 Vật chất tối và sự mở rộng của mô hình chuẩn 5 2 Axion trong mô hình 3-3-1 và thực nghiệm tìm kiếm 15 2.1 Axion trong mô hình Peccei-Quinn . . . . . . . . . . . . 15 2.1.1 Vấn đề strong-CP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.2 Đối xứng Peccei-Quinn, bảo toàn CP và sự xuất hiện axion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2 Axion trong mô hình 3-3-1 với neutrino phân cực phải . 32 2.2.1 Tổng quan về mô hình . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.2 Đối xứng Peccei-Quinn và axion . . . . . . . . . . 35 2.2.3 Quá trình rã của axion thành hai photon . . . . . 37 2.3 Tiết diện tán xạ của quá trình chuyển hóa photon-axion trong trường điện từ ngoài . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.1 Yếu tố ma trận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.2 Sự chuyển hóa trong điện trường tĩnh . . . . . . . 40 2.3.3 Sự chuyển hóa trong từ trường tĩnh . . . . . . . . 42 2.3.4 Sự chuyển hóa trong ống dẫn sóng . . . . . . . . 45 2.4 Tóm tắt kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 iv 3 Vật chất tối trong mô hình 3-3-1-1 và thực nghiệm tìm kiếm 50 3.1 Mô hình 3-3-1-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.1.1 Fermion trung hòa và các hạt lepton sai . . . . . 50 3.1.2 Đối xứng chuẩn 3-3-1-1 và W -parity . . . . . . . 55 3.1.3 Thế vô hướng và khối lượng . . . . . . . . . . . . 59 3.2 Vật chất tối và thực nghiệm tìm kiếm . . . . . . . . . . 66 3.2.1 Mật độ tàn dư của boson chuẩn X 0 . . . . . . . . 67 3.2.2 Mật độ tàn dư của fermion trung hòa N R . . . . . 68 3.2.3 Thực nghiệm tìm kiếm vật chất tối N R . . . . . . 70 3.3 Tóm tắt kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4 Kết luận 74 4.1 Các kết quả chính của luận án . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2 Các hướng nghiên cứu tiếp theo . . . . . . . . . . . . . . 75 Danh sách các công bố của tác giả 79 Tài liệu tham khảo 80 Phụ lục 89 A Tìm yếu tố ma trận 90 B Kiểm tra các dị thường U(1) N 92 C Nguồn gốc của W -parity 95 v Các ký hiệu chung Trong luận án này tôi sử dụng các kí hiệu sau: Tên Viết tắt Vật chất tối (Dark Matter) DM Mô hình chuẩn (Standard Model) SM Liên hợp điện tích-Chẵn lẻ (Charge conjugation-Parity) CP CP trong tương tác mạnh Strong-CP Máy gia tốc hadron lớn (Large Hadron Collider) LHC Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) CERN Sắc động lực học lượng tử (Quantum Chromodynamics) QCD Chẵn lẻ W hay chẵn lẻ lepton W -parity Mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu (Minimal Supersymmetric Standard Model) MSSM vi Danh sách bảng 2.1 Sự phụ thuộc của bề rộng rã Γ và thời gian sống τ của axion theo khối lượng của nó. . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1 Tích L của các đa tuyến trong mô hình. . . . . . . . . . 52 3.2 Số lepton của các hạt trong mô hình. . . . . . . . . . . . 53 3.3 Tích B của các đa tuyến trong mô hình. . . . . . . . . . 54 3.4 Các đa tuyến trong mô hình 3-3-1-1 với tích N tương ứng. 56 3.5 R-parity của các hạt trong mô hình 3-3-1-1 gồm hai loại là các hạt lepton sai và các hạt thông thường. . . . . . . 58 vii Danh sách hình vẽ 2.1 Tiết diện tán xạ toàn phần (cm 2 ) của quá trình chuyển hóa photon thành axion trong điện trường tĩnh ứng với xung lượng q = 10 −4 ÷ 10 −3 eV . Đồ thị trên vẽ với 300 điểm và đồ thị dưới vẽ với 3000 điểm. . . . . . . . . . . . 43 2.2 Tiết diện tán xạ toàn phần (cm 2 ) của quá trình chuyển hóa photon thành axion trong từ trường tĩnh ứng với xung lượng q = 10 −4 ÷ 10 −3 eV . Đồ thị trên vẽ với 300 điểm và đồ thị dưới vẽ với 3000 điểm. . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3 Tiết diện tán xạ toàn phần (cm 2 ) của quá trình chuyển hóa photon thành axion trong ống dẫn sóng với xung lượng q = 10 −5 ÷ 10 −4 eV. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1 Các đóng góp chính cho quá trình hủy X 0 thành W + W − . 67 3.2 Các đóng góp chính cho quá trình hủy của N R . . . . . . 68 viii Mở đầu Lý do chọn đề tài Trong nhiều thập kỷ qua, việc tìm kiếm các hạt mới trong vật lý hạt cơ bản đã và đang thu hút rất nhiều nhà vật lý, nhằm tìm hiểu và giải thích cấu trúc cũng như bản chất của Vũ trụ. Những thành công về công nghệ quan sát của thế kỷ 21 đã đem lại cho chúng ta những hiểu biết sâu hơn, nhưng thực chất vẫn chỉ là một phần rất nhỏ để hiểu bản chất của Vũ trụ. Theo thực nghiệm quan sát hiện nay, Vũ trụ hiện tại chứa 68.3% năng lượng tối, 26.8% vật chất tối (Dark Matter - DM), chỉ có 4.9% là vật chất thông thường (vật chất mà chúng ta quan sát được) [1]. Trên thực tế có hai quan niệm về DM. Dạng thứ nhất là DM được tạo ra từ các hạt vật chất thông thường, chúng ta gọi chúng là vật chất tối dạng baryonic (baryonic DM). Đối tượng chủ yếu của DM dạng này là các ngôi sao không phát ra bức xạ và trôi trong không gian Vũ trụ. Các ngôi sao này không có sự liên hệ với hệ thống các sao trong Vũ trụ, chúng được gọi là MACHO (Massive astrophysical compact halo object). Các ứng cử viên cho dạng DM này là các ngôi sao nơtron hay hố đen. Dạng thứ hai của DM là dạng vật chất không bắt nguồn từ các dạng vật chất thông thường, chúng được gọi là non-baryonic DM. Các ứng cử viên cho non-baryonic DM được cho là các hạt WIMPs (weakly interacting massive particles), là các hạt có khối lượng nhưng tương tác rất yếu với vật chất thông thường (các hạt chỉ có tương tác hấp dẫn mà không có các tương tác khác). Các nhà thiên văn học chủ yếu nghiên cứu các ứng cử viên của DM là baryonic DM, trong khi đó các nhà vật lý hạt cơ bản thì tìm kiếm DM là các hạt WIMPs. Trong luận án này, chúng tôi tập trung nghiên cứu DM dựa trên quan điểm của vật lý hạt cơ bản. Trên quan điểm của vật lý hạt cơ bản, các hạt DM là các hạt trung hòa, không bị rã hoặc thời gian sống của chúng phải đủ lớn (tức là thời gian sống của DM phải lớn hơn tuổi của Vũ trụ). Hiện tại, các hạt 1 WIMPs chưa được tìm thấy trong các máy gia tốc và cũng chưa có bằng chứng nào cho ta xác định các thông tin về spin cũng như khối lượng của chúng. Chính vì vậy, nghiên cứu bản chất của DM và tìm kiếm chúng là một trong những vấn đề đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới, kể cả các nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm quan tâm. Mặt khác, mô hình lý thuyết mô tả các tương tác của các hạt cơ bản trong Vũ trụ được thực nghiệm ủng hộ nhất hiện nay là mô hình chuẩn (Standard Model - SM). Tuy nhiên, trong SM không tồn tại ứng cử viên thỏa mãn tính chất của DM. Do đó, chúng ta cần phải mở rộng SM để chúng xuất hiện các ứng cử viên của DM. Do tính chất về spin của DM là không xác định và phổ khối lượng của DM là rộng nên các ứng cử viên của DM là rất phong phú. Chúng có thể là hạt vô hướng, hạt véc tơ hay hạt fermion. Chúng tôi muốn nhấn mạnh, khi mở rộng SM thì vùng không gian tham số xuất hiện trong mô hình sẽ rộng hơn. Tuy nhiên, dựa vào các số liệu thực nghiệm về mật độ và thời gian sống của DM, chúng tôi có thể giới hạn được vùng không gian tham số xuất hiện trong mô hình. Dựa vào vùng không gian tham số vừa tìm được và các tương tác của chúng, chúng tôi có thể dự đoán được về khả năng tìm kiếm DM một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Vì vậy, tôi chọn đề tài "Vật chất tối trong một số mô hình 3 − 3 − 1 mở rộng" để nghiên cứu về bản chất và khả năng tìm kiếm DM. Mô hình mở rộng chúng tôi nghiên cứu là các mô hình SU(3) C ⊗SU(3) L ⊗U(1) X có thêm các đối xứng mới. Mục đích nghiên cứu • Khảo sát vai trò DM của axion trong mô hình 3-3-1 với neutrino phân cực phải. Nghiên cứu tương tác của axion với photon trong trường điện từ ngoài và trên cơ sở đó đưa ra phương án có lợi nhất để thu axion trong thực nghiệm. • Xây dựng mô hình 3-3-1-1 và khảo sát vai trò DM của fermion trung hòa chứa trong mô hình. 2 [...]... các mô hình 3- 3 -1 khác, chẳng hạn như mô hình 3- 3 -1 trong tài liệu [27], mô hình 3- 3 -1 với neutrino phân cực phải [22] và mô hình 3- 3 -1 tối thiểu [24] Trong thực tế, tất cả các hạt bao gồm cả những hạt mới trong các mô hình đó sẽ biến đổi tầm thường dưới W -parity Vì vậy, đối xứng parity chỉ thực sự có ý nghĩa trong lớp các mô hình 3- 3 -1 chứa đối xứng vị [ 23] 14 Chương 2 Axion trong mô hình 3- 3 -1 và... axion Chương 3: Xây dựng mô hình 3- 3 -1- 1 dựa trên mô hình 3- 3 -1 có gán với đối xứng chuẩn mới U (1) N Khảo sát một số thuộc tính DM của các hạt lepton sai có trong mô hình, từ đó xác định hạt nào là ứng cử viên cho vật chất tối Chương 4: Tóm tắt các kết quả chính của luận án và các hướng nghiên cứu tiếp theo 4 Chương 1 Vật chất tối và sự mở rộng của mô hình chuẩn Hiện nay nguồn gốc và mật độ DM trong Vũ... xứng của axion [14 , 15 , 16 , 17 ], gravitino bạn đồng hành siêu đối xứng của hạt truyền tương tác hấp dẫn graviton, một số hạt mới xuất hiện trong các mô hình 3- 3 -1 [ 21] hay mô hình thêm chiều [18 ], Trong luận án này, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu DM là axion và fermion trung hòa trong các mô hình 3- 3 -1 có thêm một số đối xứng mới Đây là lớp các mô hình mở rộng SM theo hướng mở rộng nhóm đối xứng... hơn, chúng tôi xét mô hình 3- 3 -1 với fermion trung hòa (NR ), là mô hình khác với mô hình trong tài liệu [27] Các fermion trung hòa này không mang số lepton như đã được nghiên cứu trước đây trong mở rộng seesaw TeV của SM [ 31 ] và trong mô hình 3- 3 -1 với các đối xứng vị [ 23] Chúng tôi khảo sát đối xứng số lepton, động học của nó và các đối xứng khác, mà kết quả dẫn đến một mô hình 3- 3 -1- 1 mới Chúng tôi... trung hòa trong các mô hình mở rộng mô hình chuẩn có giả thiết thêm một số đối xứng mới Đề xuất phương án có lợi nhất để tìm kiếm ứng cử viên cho vật chất tối trong thực nghiệm 3 Bố cục của luận án Trong luận án này ngoài phần mở đầu và phụ lục, nội dung chính được chúng tôi trình bày trong 4 chương: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vật chất tối và sự mở rộng của mô hình chuẩn Chương 2: Trình bày lý thuyết... nghiên cứu • Axion trong mô hình 3- 3 -1 với neutrino phân cực phải • Fermion trung hòa trong mô hình 3- 3 -1- 1 Nội dung nghiên cứu • Nghiên cứu nguồn gốc xuất hiện axion trong việc giải quyết vấn đề strong-CP và tính bền của nó thông qua quá trình rã thành hai photon trong mô hình 3- 3 -1 với neutrino phân cực phải và khả năng phát hiện axion trong thực nghiệm • Đặc điểm của mô hình 3- 3 -1- 1 • Vai trò DM của... thế hệ nằm trong các đa tuyến khác nhau, (iv) axion và majoron xuất hiện một cách tự nhiên trong một số phiên bản 3- 3 -1 [ 21] , cho các hạt nhẹ có thể là ứng cử viên DM Hệ quả của các mô hình 3- 3 -1 là dự đoán các quá trình vật 9 lý ở thang năng lượng không quá cao, do đó dễ dàng kiểm chứng bằng thực nghiệm Trong lớp các mô hình 3- 3 -1 không siêu đối xứng, các hạt ứng cử viên của DM xuất hiện một cách không... 3- 3 -1 siêu đối xứng Lý do mà chúng tôi đề cập đến các đối xứng như 3- 3 -1- 1 và W -parity đó là: các ứng cử viên cho DM có tính ổn định động học chưa hề được nghiên cứu trước đây Hiện tượng luận DM trong mô hình 13 của chúng tôi sẽ khác so với những mở rộng trước Mô hình có thể làm việc tốt hơn dưới các giới hạn thực nghiệm so với mô hình 3- 3 -1 thông thường với neutrino phân cực phải do W -parity Phương pháp... Các ứng cử viên của hạt vật chất tối lạnh là neutralino, boson Higgs, axion, • Vật chất tối ấm (warm dark matter) là những hạt DM có tính chất 6 trung gian giữa vật chất tối nóng và vật chất tối lạnh Trước đây, các ứng cử viên hàng đầu cho vật chất tối lạnh là các hạt có khối lượng và không tương tác với vật chất thông thường Người ta cũng cho rằng, phần năng lượng bị mất đi trong các máy gia tốc chính... rộng lý thuyết SU (5) thành lý thuyết SO (10 ) với tích B − L trở thành tích chuẩn định xứ Trong luận án này, tích lepton sẽ được sử dụng khác so với đối xứng U (1) G Bằng cách khảo sát tính chất số lepton không tầm thường và W parity (tương tự như R-parity trong siêu đối xứng) trong một mô hình 3- 3 -1 cụ thể [ 23] , chúng tôi chỉ ra được lý thuyết có thể chứa các ứng cử viên cho DM một cách tự nhiên Để chi . công nghệ vn viện vật lý trần đình thám vật chất tối trong một số mô hình 3-3-1 mở rộng Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số: 62 44 01 03 luận án tiến sĩ vật lý Người hướng dẫn. kết quả có trong luận án " ;Vật chất tối trong một số mô hình 3-3-1 mở rộng& quot; là kết quả mới, không trùng lặp với bất kỳ luận án hay công trình nào đã công bố. Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm. chọn đề tài " ;Vật chất tối trong một số mô hình 3 − 3 − 1 mở rộng& quot; để nghiên cứu về bản chất và khả năng tìm kiếm DM. Mô hình mở rộng chúng tôi nghiên cứu là các mô hình SU(3) C ⊗SU(3) L ⊗U(1) X có