Nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle 2

  • Số trang: 81 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 20 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN Đồng Văn Thanh NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NEUTRON LÊN DETECTOR CDC TRONG THÍ NGHIỆM BELLE 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nôi - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN Đồng Văn Thanh NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NEUTRON LÊN DETECTOR CDC TRONG THÍ NGHIỆM BELLE 2 Chuyên nghành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.Trần Ngọc Tiềm Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Thầy Trần Ngọc Tiềm đã tạo điều kiện để em có cơ hội tham gia vào thí nghiệm Belle II và thực hiện đề tài luận văn Thạc sĩ của mình. Và là người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn của mình đến Thầy Makoto Uchida, Thầy Shoji Uno và Anh Hiroyuki Nakayama đã cho em cơ hội tham gia vào công việc này và đã nhiệt tình giúp đở để em có thể hoàn thành đề tài của mình. Đặc biệt là trong suốt thời gian em thực tập ở KEK. Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô và các anh, chị và các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN đã tạo điều kiện về thời gian và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn. Hà Nội, Ngày 4 tháng 1 năm 2014 Sinh viên Đồng Văn Thanh MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU............................................................................ 3 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. 4 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... 7 MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 8 Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................. 10 1.1 Mục đích của thí nghiệm Belle II ........................................................ 10 1.1.2 Vi phạm đối xứng CP và Vật lý B................................................ 13 1.1.2.1 Vi Phạm đối xứng C, P và CP................................................. 13 1.1.2.2 Vi pham đối xứng CP trong hệ Kaon ...................................... 15 1.1.2.3 Pha trộn quark và ma trận CKM ............................................. 17 1.1.2.4 Vi Phạm CP trong hệ B .......................................................... 20 1.2 Máy gia tốc SuperKEKB..................................................................... 24 1.2.1 Máy gia tốc SuperKEKB ............................................................. 24 1.2.2 Luminosity của máy gia tốc SuperKEKB..................................... 26 1.3 Detector Belle II.................................................................................. 28 Chương 2 - PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA TRONG THÍ NGHIỆM BELLE II ..................................................................................................... 36 2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra. ..................................................... 36 2.2 Bức xạ Synchroton.............................................................................. 37 2.3 Hiệu ứng Touschek ............................................................................. 37 2.3.1 Định nghĩa. .................................................................................. 37 2.3.2 Tốc độ của hiệu ứng Touschek..................................................... 39 2.4 Tán xạ Bhabha .................................................................................... 41 2.4.1. Tán xạ Bhabha ............................................................................ 41 2.4.2 Tiết diện tán xạ Bhabha................................................................ 42 2.5 Tán xạ với không khí. ......................................................................... 42 Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II 2.5.1 Tán xạ Coulomb........................................................................... 43 2.5.2 Phát bức xạ hãm........................................................................... 43 2.5.3. Tốc độ tán xạ chùm tia không khí ............................................... 44 Chương 3 - ẢNH HƯỞNG CỦA PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA LÊN DETECTOR CDC........................................................................................ 46 3.1 Mô phỏng phông do chùm tia gây ra ................................................... 46 3.2 Ảnh hưởng của phông lên detector CDC............................................. 51 3.2.1 Phông do các hạt tích điện gây ra trong detector .......................... 51 3.2.2 Hệ bảng mạch của detector CDC (Front-End Electronics) ........... 53 3.2.2.1 Ảnh hưởng của tia gamma và hạt mang điện .......................... 54 3.2.2.2 Ảnh hưởng của neutron .......................................................... 57 Chương 4 – XÁC ĐỊNH CÁC VỊ TRÍ SINH NEUTRON VÀ THIẾT KẾ CHE CHẮN ................................................................................................. 63 4.1 Xác định nguồn gốc của các neutron trên hệ bảng mạch. .................... 63 4.2 Che chắn neutron ................................................................................ 68 KẾT LUẬN.................................................................................................. 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 75 PHỤ LỤC .................................................................................................... 77 Đồng Văn Thanh -2– Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các kênh có thể quan sát trên thí nghiệm Belle và Belle II, sai số và so sánh với LHCb [1]………………………………………… 10 Bảng 1.2 Các nghiên cứu về vật lý Bs và Vật lý quark Charm trên Belle II, so sánh với Belle và LHCb [1]………………………………….. 11 Bảng 1.3 Các thông số chùm tia và Luminosity của máy gia tốc KEKB và SuperKEKB…………………………………………………… 27 Bảng 4.1 Thông số các loại vật liệu sử dụng che chắn neutron…………... 69 Đồng Văn Thanh -3– Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tam giác unitary db ....................................................................... 20 Hình 1.2 Giản đồ Feynman cho sự pha trộn Bd, Bs ....................................... 21 0 Hình 1.3 Dao động của meson trung hòa Bs0  B s ......................................... 23 Hình 1.4 Xác định bất đối xứng A(t) trong thí nghiệm Belle II[12] .............. 24 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống máy gia tốc SuperKEKB ....................................... 25 Hình 1.6 Sơ đồ gia tốc electron và positron trước khi chúng được đưa vào các vòng lưu trữ.................................................................................................. 26 Hình 1.7 Hình học và chạm của 2 chùm tia, Với góc Φ = 41 mrad. .............. 27 Hình 1.8 Sản phẩm tạo thành sau va chạm e+/e-............................................ 29 Hình 1.9 Detector Belle II ............................................................................ 29 Hình 1.10a Hình ảnh detector Vertex; b, nguyên lý xác định vị trí phân rã của B meson. ...................................................................................................... 30 Hình 1.11 Detector Pixel .............................................................................. 30 Hình 1.12 Detector DSSD. a, Hình dạng của detector; b, Nguyên lý của detector DSSD ............................................................................................. 31 Hình 1.13 Detector CDC .............................................................................. 32 Hình 1.14 Bảng mạch của Detector CDC; 1.9a là sơ đồ nguyên lý. 1.9b là một bảng mạch đã được chế tạo. ......................................................................... 33 Hình 1.15 Detector PID................................................................................ 34 Hình 1.16 Detector ECL............................................................................... 34 Hình 1.17 Detector KLM ............................................................................. 35 Hình 2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra. ................................................ 36 Hình 2.2 Bức xạ synchrotron........................................................................ 37 Hình 2.3 Hiệu ứng Touschek........................................................................ 38 Hình 2.4 Kết quả mô phỏng hiệu ứng touchek (3 sự kiện)............................ 38 Đồng Văn Thanh -4– Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào bề rộng của bó hạt. 40 Hình 2.6 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào chiều dài của bó hạt. ..................................................................................................................... 40 Hình 2.7 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào năng lượng của chùm tia. ................................................................................................................ 40 Hình 2.8 Một sự kiện tán xạ Bhabha ............................................................ 41 Hình 2.9 Giãn đồ Feynman cho tán xạ Coulomb (bên trái) và phát bức xạ hãm (bên phải) ..................................................................................................... 42 Hình 2.10 Electron (positron) phát bức xạ hãm và giảm năng lượng ............ 43 Hình 3.1 Xử lý dữ liệu bằng một chuỗi các module trong Basf2 .................. 46 Hình 3.2 Các vị trí chùm tia bị lệch va vào thành ống nhiều nhất ................. 48 Hình 3.3 Kiến trúc cơ bản của chương trình xây dựng hình học ................... 50 Hình 3.4 Phông do chùm tia gây ra trong detector CDC ở thí nghiệm Belle và thiết lập cho Belle II với hệ số 20 [15].......................................................... 52 Hình 3.5 Tốc độ đếm phông trong detector CDC ......................................... 53 Hình 3.6 Sơ đồ bố trị hệ bảng mạch của detector CDC................................. 54 Hình 3.7 Hiệu ứng bẫy điện tích trong CMOS làm tăng thế ngưỡng[16] ...... 55 Hình 3.8 Tổng liều chiếu lên hệ bản mạch trong 1 năm................................ 56 Hình 3.9 Sự phụ thuộc của D(E)/Dn(95MeVmb) vào năng lượng [11] (Displacement damage function) .................................................................. 58 Hình 3.10 Chiếu xạ neutron theo các phương khác nhau lên FPGA và tổng số sự kiện hư hại không có khả năng phục hồi quan sát được[10]. .................... 59 Hình 3.11 Thông lượng neutron trên các bảng mạch; 3.11a, ảnh hưởng từ vùng xa và 3.10b, ảnh hưởng từ vùng gần. ................................................... 61 Hình 3.12 Tổng thông lượng neutron trên bảng mạch điện của detector CDC ..................................................................................................................... 61 Hình 4.1 Các điểm sinh neutron trên toàn detector Belle II [9]..................... 63 Đồng Văn Thanh -5– Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Hình 4.2 Minh họa việc lưu dữ liệu trong quá trình mô phỏng ..................... 65 Hình 4.3 Sơ đồ minh họa việc sử dụng RelationIndex để kết nối các mảng dữ liệu và truy nhập vào các mảng dữ liệu......................................................... 65 Hình 4.4 Sơ đồ xử lý dữ liệu sử dụng module CDCBKg .............................. 66 Hình 4.5 Nguồn gốc của neutron ảnh hưởng đến bảng mạch của detector CDC ..................................................................................................................... 68 Hình 4.6 Sơ đồ detector Belle II. .................................................................. 69 Hình 4.6 Hình học che chắn cho hệ các bảng mạch. ..................................... 70 Hình 4.7 Kết quả thông lượng neutron trên các bảng mạch sau khi che chắn bằng các vật liệu khác nhau. ......................................................................... 71 Đồng Văn Thanh -6– Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Giải thích Basf2 Belle II Analysis FrameWork: Phần mềm dùng cho thí nghiệm Belle II. CDC Central Drift Chamber : Buồng trôi trung tâm, hay còn gọi là Detector CDC CDC hit rate DSSD Tốc độ đếm phông trong detector CDC Double-side Silicon Strip Detector: là detector Silcon, gồm nhiều dải điện cực ở hai mặt. ECL ElectroMagnetic Calorimeter : Là Calorimeter điện từ HER High Energy Ring : Vòng lưu trữ năng lượng cao, dành cho chùm positron, E = 7GeV KLM K-Long and Muyon Detector: là detector dùng để đo K-long và Muyon. LER Low Energy Ring : Vòng lưu trữ năng lượng thấp, dành cho chùm electron, E=4GeV Luminosity PID Độ sáng. Particle Identify Detector: là Deetector dùng để phân biệt hạt. RBB SuperKEKB Touschek Đồng Văn Thanh Radiation Bhabha: Bức xạ Bhabha Máy gia tốc SuperKEKB Là hiệu ứng Touschek -7– Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II MỞ ĐẦU Các quy luật chính của vũ trụ là gì? Quy luật nào chi phối tương tác giữa chúng? Đó là các câu hỏi mà các nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm về vật lý hạt cơ bản đã và đang miệt mài nghiên cứu để tìm câu trả lời trong suốt thế kỷ qua, và trong khoảng 30 năm qua họ đã xây dựng nên mô hình chuẩn của các hạt nguyên tố[11]. Tuy nhiên vẫn còn nhiều điều mà mô hình chuẩn chưa hoàn toàn thỏa mãn. Vì thế hiện nay các nhà vật lý thực nghiệm vẫn đang ngày đêm miệt mài thực hiện các thí nghiệm trong lĩnh vực hạt cơ bản để tìm ra các bí ẩn chưa được phát hiện và kiểm chứng một số lý thuyết trong mô hình chuẩn. Trong số những thí nghiệm tiên phong của vật lý hạt cơ bản ta phải kể đến thí nghiệm Belle ở trung tâm nghiên cứu vật lý năng lượng cao nhật bản (KEK). Thí nghiệm này được thực hiện bởi hơn 400 nhà khoa học và kĩ sư đến từ nhiều quốc gia khác nhau. Mục đích chính của thí nghiệm Belle là nghiên cứu vi phạm đối xứng CP và các quá trình vật lý liên quan đến meson B. Thí nghiệm Belle kết thúc năm 2010 để nâng cấp lên thành thí nghiệm Belle II với Luminosity cao hơn 40 lần với mục tiêu nghiên cứu các quá trình vật lý cần thống kê lớn như là các phân rã hiếm. Thí nghiệm Belle II với Luminosity cao sẽ dẫn đến phông do chùm tia gây ra sẽ cao hơn thí nghiệm Belle 10 đến 20 lần. Việc nghiên cứu và thiết lập ảnh hưởng của phông lên từng detector trong hệ detector là hết sức cần thiết trước khi thí nghiệm đi vào hoạt động năm 2015. Trong thí nghiệm này nhóm Vật lý năng lượng cao của Việt Nam sẽ góp phần trong việc xây dựng detector CDC. Vì thế tôi chọn đề tài nghiên cứu của mình là “Nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II”. Đồng Văn Thanh -8– Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Luận văn có mục đích là nghiên cứu ảnh hưởng của phông do chùm tia gây ra lên detector CDC, đặc biệt là ảnh hưởng của neutron lên hệ điện tử xử lý tín hiệu. Luận văn được trình bày với bố cục như sau: Chương 1: Giới thiệu về thí nghiệm Belle II Chương 2: Các loại phông do chùm tia gây ra. Chương 3: Các tính toán về ảnh hưởng của phông do chùm tia gây ra lên detector CDC. Chương 4: Xác định nguồn gốc các neutron trên hệ điện tử và thiết kế che chắn. Đồng Văn Thanh -9– Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG Thí nghiệm Belle II được nâng cấp từ thí nghiệm Belle là một trong nhưng thí nghiệm tiên phong trong lĩnh vực Vật lý năng lượng cao trên thế giới. 1.1 Mục đích của thí nghiệm Belle II Mô hình chuẩn của các hạt nguyên tố (Standard Model) được hình thành từ những năm 70 của thế kỷ XX, là lý thuyết mô tả các hạt cơ bản và tương tác giữa chúng. Trải qua hơn 40 năm mô hình chuẩn đã được chứng minh bằng nhiều kết quả thực nghiệm chính xác. Tuy nhiên vẫn còn một vài lý do khiến cho mô hình chuẩn vẫn chưa hoàn toàn thỏa mãn để trở thành lý thuyết của các hạt cơ bản. Đầu tiên là nó chứa quá nhiều tham số tự do, ví dụ như là khối lượng và sự pha trộn giữa các quark và lepton đều không biết. Thứ bậc khối lượng của các quark và lepton, ma trận của sự pha trộn giữa các quark (flavor mixing matrices) cái mà được cho là có các cơ chế ẩn xuất hiện ở thang năng lượng cao bao trùm các thành phần của chúng. Thứ hai là sự bất đối xứng về vật chất - phản vật chất trong vũ trụ không thể giải thích duy nhất bằng vi phạm đối xứng CP trong mô hình chuẩn. Những lý do này khiến cho các nhà vật lý tin rằng vẫn còn các hiện tượng vật lý chưa được khám phá ở thang năng lượng ~TeV [11]. Cách trực tiếp nhất để khám phá các yếu tố vật lý mới này là xây dựng các máy gia tốc năng lượng cao (~ TeV) như máy gia tốc LHC (Large Hardon Collider) ở trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) hay là máy gia tốc tương lai ILC (International Linear Collider). Thực hiện các va chạm ở năng lượng cỡ TeV, các hạt có khối lượng lớn sẽ được tạo thành. Tuy nhiên đây không phải là cách duy nhất để tìm kiếm các hiện tượng vật lý mới, trên thực tế trước khi tìm ra quark Charm sự tồn tại của nó đã được đề xuất để giải Đồng Văn Thanh - 10 – Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II thích sự thay đổi số lạ của các dòng trung hòa (cơ chế GIM GlashowIlliopolous-Maiani). Thế hệ quark thứ ba được dự đoán bởi Kobayashi và Maskawa để giải thích vi phạm nhỏ đối xứng CP đã tìm thấy trong sự pha trộn Kaon trung hòa[11]. Vì thế hiện nay ngoài việc xây dựng các máy gia tốc lớn thì hướng nghiên cứu khác là nghiên cứu các phân rã hiếm (các phân rã với xác suất cực nhỏ) sau đó so sánh các kết quả thực nghiệm với các dự đoán trong mô hình chuẩn (SM) để tìm kiếm sự sai lệch. Vì các quá trình của các phân rã hiếm thường rất nhạy với các hiện tượng, quy luật vật lý mới, và các sự sai lệch với mô hình chuẩn có thể giúp cho chúng ta giới hạn các tham số trong một lý thuyết mới. Các hướng nghiên cứu của các phân rã hiếm là các meson nặng như B0, D0, …hay là các baryon nặng, thông thường là các meson nặng bởi vì việc tiến hành thực nghiệm và tính toán lý thuyết dễ dàng hơn. Thí nghiệm Belle được thực hiện với mục đích chính là nghiên cứu vi phạm đối xứng CP trong phân rã của meson B. Điều này đã đạt được vào năm 2001 (cùng lúc với thì nghiệm BaBar) bằng việc đo sự bất đối xứng CP phụ 0 thuộc thời gian trong phân rã B 0 ( B )  J /K s0 [11]. thí nghiệm đã chứng minh cơ chế Kobayashi-Maskawa là chính xác, và nó đã trở thành một phần của mô hình chuẩn. Thí nghiệm Belle cũng chứng minh khả năng có thể quan sát một số kênh phân rả của meson B và chính xác hóa các yếu tố của ma trận CKM (Cabbibo-Kobayashi-Maskawa) và các quan sát khác. Ví dụ như là đo chính xác góc Φ1 của tam giác unitarity ở mức 10% qua phân rã bất đối xứng phụ thuộc thời gian B 0  J /K s0 ; bất đối xứng CP cũng được quan sát trong phân rã B 0     ,từ đó có thể chính xác góc Φ2 ; và góc Φ3 cũng có thể được đo qua quá trình B  DK và D ; quá trình bán lepton FCNC B  Kl  l  , B  K *l  l  và thậm chí với cả quá trình B  X s l  l  cũng được quan sát. Hơn nữa gần đây sự không thống nhất khi quan sát góc Φ1 trong quá trình penguin Đồng Văn Thanh - 11 – Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Bảng 1.1 : Các kênh có thể quan sát trên thí nghiệm Belle và Belle II, sai số và so sánh với LHCb[4] B  K s0 và giá trị chính xác trong B 0  J /K s0 dẫn đến đề xuất tồn tại quá trình vật lý mới trong phân rã b  sq q [10]. Bằng cách tập trung thêm nhiều quan sát nữa để tìm ra các quá trình mới, và một khi sự tồn tại của nó được chứng minh thì các phép đo sẽ xác định các tính chất của nó. Đây là một trong Đồng Văn Thanh - 12 – Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II những lý do mà KEKB được nâng cấp thành superKEKB với luminosity cao hơn 40 lần và Belle thành Belle II. Bảng 2.1 là tóm tắt những kênh nghiên có khả năng nghiên cứu trên ở Belle II. Bảng 1.2: Các nghiên cứu về vật lý Bs và vật lý quark Charm trên Belle II, so sánh với Belle và LHCb[10]. 1.1.2 Vi phạm đối xứng CP và Vật lý B 1.1.2.1 Vi Phạm đối xứng C, P và CP Đối xứng P: (Parity) là đối xứng chẵn lẻ hay là phản xạ không gian. Qua phép biến đổi này thì vector tọa độ của hạt bị đổi chiều, khi tác dụng lên hàm sóng của hạt thì ta có Pψ(x,t)= paψ(-x,t), trong đó pa là trị riêng của tóa tử cho hạt a. Giá trị khả dĩ của pa là -1,+1. Đối xứng P được chứng mình là bảo toàn trong tương tác điện từ và trong tương tác mạnh, nhưng đến những năm 50 của thế kỉ 20, khi người ta Đồng Văn Thanh - 13 – Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II tìm thấy hai hạt lạ θ và τ (không phải là lepton τ ngày nay) có khối lượng và thời gian sống gần như nhau mà sau này ta biết đó là hạt kaon, hai hạt lạ này phân rã theo hai kênh khác. Hạt θ phân rã thành 2π có chẵn lẻ là P(2 π) = (-1)2 và hạt τ phân rã thành 3 π, có chẵn lẽ là P(3π)=(-1)3 (vì P(π)=-1). Nếu hai hạt này là một thì quá trình trên sẽ vi phạm đối xứng P. Nếu hai hạt này khác nhau và có chẵn lẽ tương ứng là +1,-1 thì quá trình trên bảo toàn đối xứng P. Đến năm 1956 Lý Chính Đạo và Dương Chấn Ninh nhận xét rằng đối xứng P đã được thực nghiệm chứng minh bảo toàn trong tương tác mạnh và tương tác điện từ nhưng vẫn chưa được chứng minh cho tương tác yếu. Vì thế hai ông đã đề xuất nghiên cứu các quá trình tương tác yếu để chứng tỏ vi phạm P có thể xãy ra hay không. Và thí nghiệm đã được thực hiện bởi ChienShiung Wu cùng năm đó tại đại học Columbia. Trong thí nghiệm này bà Wu đã quan sát thấy sự bất đối xứng trong phân bố góc bay ra của electron từ nguồn Cobalt, electron phát ra theo phương phân cực của Colbalt nhiều hơn [14]. Nghĩa là giá trị trung bình của tích moment của electron và spin hạt nhân Cobalt khác không. Nhưng với toán tử P ta có P(JCo.Pe) = - JCo.Pe. (1.1) Ta thấy rằng P chỉ bất biến khi bằng không. Vì vậy mà đối xứng P bị vi phạm. Liên hợp điện tích C: Phép lấy liên hợp điện tích (Charge Conjunction). Qua phép biến đổi C thì hạt sẽ biến thành phản hạt và ngược lại và giử nguyên các đại lượng động học như xung lượng, spin còn các đại lượng như điện tích Q, số lạ S, số lepton L, và số baryon B sẽ bị biến đổi. Nếu trạng thái được viết |A,p,s…> thì ta có C A, p, s...  A, p, s... , A là liên hợp của A. Đối xứng liên hợp điện tích (C) được chứng minh bảo toàn trong tương tác điện từ và trong tương tác mạnh nhưng lại bị vi pham trong tương tác yếu. Đồng Văn Thanh - 14 – Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Khi xem xét phép lấy liên hợp điện tích lên neutrino quay trái ta được phản neutrino quay trái. Tuy nhiên trạng thái này lại không tồn tại trong tự nhiên. (1.2) CL  L Tuy đối xứng C và đối xứng P bị vi phạm riêng rẽ nhưng khi tác dụng đồng thời C và P lên hệ trên ta lại có được một hệ đúng. (1.3) CP  L   R Đối xứng CP còn liên quan trực tiếp đến sự bất đối xứng về vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Các nhà khoa học đã kỳ vọng đây là một đối xứng hoàn hảo nhưng đến năm 1964 lần đầu tiên các nhà khoa học J.H. Chrisrenson, J.W.Cronin, V.LFitch và R.Turlay đã phát hiện ra đối xứng CP bị vi phạm trong phân rã của Kaon trung hòa[12]. 1.1.2.2 Vi pham đối xứng CP trong hệ Kaon Meson K0 và phản hạt của nó K 0 có số lạ tương ứng là S =1 và S=-1, với cấu trúc quark K 0  d s và K 0  d s (quark s có số lạ Ss =1). Kaon là hạt không bền nhưng do chúng là những meson nhẹ nhất nên không thể phân rã thông qua tương tác mạnh bảo toàn số lạ mà chỉ có thể phân rã thông qua tương tác yếu trong đó số lạ không bảo toàn. Người ta quan sát thấy một số kênh phân rã chung của hai hạt này như: K0      Và K0      K0  0 0 K0  0 0 (1.4) Trạng thái riêng CP của K10 và K20 Cho đến khi phát hiện ra vi pham CP sau này thì tương tác yếu vi phạm đối xứng chẵn lẻ và liên hợp điện tích nhưng vẫn bất biến trong phép biến đổi CP. Vì vậy ta giả thiết rằng tương tác yếu là trạng thái riêng của CP, không phải là trạng thái riêng của số lạ. Meson K0 và phản hạt của nó K 0 là trạng Đồng Văn Thanh - 15 – Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II thái riêng của số lạ nhưng không phải là trạng thái riêng của CP. Ta có thể thấy như sau: CP K 0  K 0 CP K 0  K 0 và (1.5) Nhưng hai tổ hợp của chúng lại là trạng thái riêng của CP K 10  1  0 0  K  K    2 Nghĩa là : CP K10  K10 và K 20  1  0 0   K  K  (1.6)   2 và CP K 20   K 20 Khi khảo sát phân rã của hai trạng thái riêng này theo kênh 2π và 3π ta thấy CP(π,π) =+1 và CP(π,π,π) = -1 như vậy trong phân rã tương tác yếu bảo toàn CP thì trạng thái riêng K10 phải phân rã thành 2π và trạng thái riêng K02 phải phân rã thành 3π. Vì giá trị Q phân rã cho trạng thái 2π lớn hơn trạng thái 3π nên không gian pha sẽ nhiều hơn, Vì thế tốc độ phân rã của K1 → 2π lớn hơn tốc độ phân rã của K2 thành 3π. Trong quá trình thực nghiệm nghiên cứu sự phân rã của K0 và K 0 , người ta thấy tồn tại hai trạng thái kaon trung hòa có khối lượng như nhau nhưng thời gian sống hoàn toàn khác nhau. Hạt thứ nhất mạng tên K s0 (Kaon zero short) có thời gian sống ngắn cở 10-10s và phân rã thành 2π và hạt thứ hai K L0 có thời gian sống dài hơn cở 10-8s và phân rã thành 3 π hoặc bán lepton. Như đã nói ở trên các hạt K1 và hạt K2 sẽ có kiểu phân rã khác nhau, tuy nhiên trong thí nghiệm được thực hiện năm 1964[12] khi quan sát việc phân rã của chùm Kaon trung hòa, với detector được đặt cách vị trí tạo ra chùm tia một khoảng xa đủ để các hạt K1 thời gian sống ngắn phân rã hết, người ta đã quan sát thấy một số hạt K2 phân rã thành 2pion như hạt K1, để giải thích hiện tượng này người ta đưa ra giả thuyết các hạt Ks và KL là sự pha trộn của K1 và K2. Đồng Văn Thanh - 16 – Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II 1 K s0  1  K 2 0 1    K 20 và K L0  1 1  2  K 0 1  K 20  (1.7) Với  là tham số phức rất nhỏ, xác định mức độ vi phạm đối xứng CP sinh ra bởi pha trộn trạng thái Kaon. Vi phạm CP được biểu diễn theo tỉ số biên độ như sau [12]:       T K L0     T K s0     exp(i   ) và  00   0 0 T K L0  0 0 T K s0   00 exp(i 00 ) (1.8) Các giá trị của    ,  00 , và    ,  00 đều đã được xác định. Thành phần K1 trong KL sẽ phân rã thành 2π theo xác suất:  2 1  2  2 (1.9) Giá trị thực nghiệm cho thấy   (2.284  0.014)10 3 . Vi phạm đối xứng CP cũng được phát hiện trong hệ Kaon ở kênh phân rã bán lepton theo hai kênh phân rã có CP khác nhau như sau: K L e       e   e e       (1.10) 1.1.2.3 Pha trộn quark và ma trận CKM Vật chất được cấu tạo từ 6 lepton và 6 quark, chúng được ghép thành các cặp theo từng thế hệ như sau : Lepton e     e                Quark u    d  c   s t   b Trong đó các lepton chỉ tham gia tương tác yếu, còn quark thì tham cả tương tác yếu và tương tác mạnh. Đối với quark thì trạng thái riêng tương tác yếu không đồng nhất với trạng thái riêng tương tác mạnh. Năm 1963 Cabibo đã đề xuất rằng trạng thái riêng của tương tác yếu là tổ hợp của các trạng thái Đồng Văn Thanh - 17 –
- Xem thêm -