Tài liệu Nghiên cứu các hạt hyperon lạ ω với độ nhanh 1.9 < y < 4.9 sinh ra trong va chạm pp năng lượng = 7 và 8 tev trên thí nghiệm lhcb tại cern

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ——————————————— NGHIÊN CỨU CÁC HẠT HYPERON LẠ Λ, Ξ, Ω VỚI ĐỘ NHANH 1.9 < y < 4.9 SINH RA TRONG VA CHẠM pp NĂNG LƯỢNG √ s = 7 VÀ 8 TeV TRÊN THÍ NGHIỆM LHCb TẠI CERN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ——————————————— NGUYỄN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU CÁC HẠT HYPERON LẠ Λ, Ξ, Ω VỚI ĐỘ NHANH 1.9 < y < 4.9 SINH RA TRONG VA CHẠM pp NĂNG LƯỢNG √ s = 7 VÀ 8 TeV TRÊN THÍ NGHIỆM LHCb TẠI CERN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 62 44 01 06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS. TS. Nguyễn Mậu Chung Hà Nội - 2017 PGS. TS. Trương Biên Lời cam đoan Tên tôi là Nguyễn Thị Dung, tác giả của luận án tiến sĩ "NGHIÊN CỨU CÁC HẠT HYPERON LẠ Λ, Ξ, Ω VỚI ĐỘ NHANH 1.9 < y < 4.9 SINH RA TRONG VA √ CHẠM pp NĂNG LƯỢNG s = 7 và 8 TeV TRÊN THÍ NGHIỆM LHCb TẠI CERN". Bằng danh dự của mình, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp từ công trình nghiên cứu của tác giả khác. Kết quả nghiên cứu, nguồn số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo nêu trong luận án hoàn toàn chính xác và trung thực. Hà Nội, ngày ... tháng ... năm ... Tác giả luận án Nguyễn Thị Dung iii Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai Thầy hướng dẫn của mình, PGS. TS. Nguyễn Mậu Chung (Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐH Quốc Gia Hà Nội) và GS. TS. Trần Minh Tâm (Đại học Bách Khoa Liên Bang Lausanne, Thụy sĩ), các Thầy đã cho tôi nguồn động lực và đam mê với khoa học. Các Thầy luôn dành thời gian quý báu của mình để hướng dẫn, hỗ trợ và khuyến khích tôi trong suốt quá trình làm luận án tiến sĩ. Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã cho tôi điều kiện được đăng kí và thực hiện luận án tiến sĩ này. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy cô và đồng nghiệp tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, cũng như Khoa Vật lý đã luôn động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong mọi công việc. Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới GS. Aurelio Bay, giám đốc phòng thí nghiệm LPHE, Thầy đã cho tôi cơ hội sang học tập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm LPHE, Trường ĐH Bách Khoa Liên Bang Lausanne, Thụy sĩ để tôi có thể hoàn thành tốt luận án tiến sĩ này. Luận án này sẽ không được hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ nhiệt tình và các buổi thảo luận hữu ích từ các đồng nghiệp của tôi: GS. Tatsuya Nakada, GS. Olivier Schneider, Frédéric Blanc, Stéphane Tourneur (LPHE, EPFL), Florin Maciuc (Rumani), và từ tất cả các thành viên của nhóm QEE LHCb. Tôi muốn gửi đến tất cả các Thầy và các đồng nghiệp lòng biết ơn chân thành của mình. Tôi muốn cảm ơn Quỹ Học bổng Odon Vallet cùng GS. Trần Thanh Vân đã luôn ưu ái cho tôi để tôi có nhiều thời gian hơn cho luận án tiến sĩ của mình. Tôi gửi lời biết ơn sâu sắc tới hai bà thư ký đáng kính của LPHE: bà Erika Luthi và bà Esther Hofmann, hai bà luôn luôn cho tôi sự hỗ trợ quan trọng về cuộc sống khi tôi đến Lausanne. Ngoài sự hỗ trợ về công việc, tôi muốn cảm ơn tới Thầy đồng hướng dẫn GS. TS. Trần Minh Tâm và vợ của Thầy cô Trần Nguyễn Ánh Nga, thầy cô luôn quan tâm, lo lắng và cho tôi cảm giác ấm áp khi xa nhà. v Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn chân thành tới bố mẹ, các em của mình với lòng tin và tình yêu vô điều kiện của họ. Tôi cũng biết ơn sâu sắc tới gia đình chồng đã luôn hiểu, cảm thông và hỗ trợ tôi trong mọi công việc gia đình và quan trọng nhất là chăm sóc cháu nhỏ để tôi yên tâm và có nhiều thời gian hơn cho luận án của mình. Đặc biệt nhất là gia đình nhỏ của tôi với người bạn đời tuyệt vời Thiều Quang Tùng và con trai nhỏ Thiều Quang Bảo, là nguồn động lực rất lớn, là niềm vui và hạnh phúc trong cuộc sống của tôi. Cảm ơn chồng đã luôn yêu thương, thấu hiểu, ủng hộ và khuyến khích tôi trong mọi công việc. Hà Nội, ngày...tháng... năm... vi Tóm tắt Tại thời điểm ban đầu sau Big Bang, vũ trụ tồn tại ở trạng thái Quark-Gluon Plasma (QGP), sau đó các quark kết hợp với nhau tạo ra các hadron (proton, neutron, . . .), hình thành các hạt nhân nguyên tử đầu tiên. Máy gia tốc LHC thực hiện va chạm pp tại năng lượng cao cỡ TeV tạo ra QGP tương đương với thời điểm khoảng 10−10 s sau Big Bang, cho phép kiểm chứng lý thuyết trên. Như vậy, vật lý hạt cơ bản (thế giới vi mô) trở thành cơ sở thực nghiệm cho lý thuyết vũ trụ học (thế giới vĩ mô). Do chưa hiểu biết đầy đủ quá trình tạo ra quark trong tương tác mạnh lẫn quá trình sinh ra hadron, các nhà vật lý phải phát triển các mô hình hiện tượng luận nhằm giải thích các quá trình trên. Tuy nhiên, các mô hình lý thuyết cho các kết quả không hoàn toàn tương thích với nhau, nên chúng cần được kiểm chứng bằng các kết quả thực nghiệm. Bởi vì quark lạ s có khối lượng nhỏ nhất trong các quark nặng, được sinh ra rất nhiều trong va chạm pp trên máy gia tốc LHC, nên luận án lựa chọn các hyperon lạ làm đối tượng nghiên cứu. Thêm vào đó, việc phân biệt quark s mang năng lượng cao tương đối dễ dàng bởi vì chúng hoàn toàn mới được sinh ra do proton ban đầu chỉ chứa quark hóa trị u và d. Thí nghiệm LHCb thu nhận số liệu khi pp va chạm với nhau tại năng lượng cao hơn và luminosity lớn hơn so với các thí nghiệm trước đây như Tevatron và RHIC. Mặc dù không được như detector của hai thí nghiệm ATLAS và CMS (loại 4π cho phép ghi nhận tất cả các hạt bay ra sau va chạm trong vùng độ nhanh [-2, 2]), detector LHCb được thiết kế để đo các hạt được tạo ra ở phía trước với độ nhanh cao [2 - 4.9] nơi mà hai detector trên không thể đo được. Đây chính là ưu điểm đặc biệt của detector LHCb, thêm vào đó sự sai lệch của các mô hình hiện tượng luận xảy ra chủ yếu ở vùng này. Nghiên cứu sinh đã trực tiếp tham gia quá trình vận hành detector LHCb, √ thu thập số liệu chung cho cả nhóm khi pp va chạm với nhau tại hai mức năng lượng s = 7 và 8 TeV. Luận án chỉ nghiên cứu các hyperon lạ điển hình là Λ(s), Ξ− (ss), Ω− (sss) trong kênh phân rã chủ yếu của chúng, bởi vì nghiên cứu quark lạ s là một chủ đề rất rộng. Mặc dù được thực hiện bởi các hyperon khác nhau, ở mức độ quark, cả ba phân rã trên đều tương ứng với quá trình dịch chuyển quark từ s sang u: s → u + W− u+d Nghiên cứu sinh đã thực hiện việc nghiên cứu các hạt hyperon lạ Λ(s), Ξ− (ss), Ω− (sss) √ sinh ra trong thí nghiệm LHCb tại hai mức năng lượng s = 7 và 8 TeV tương ứng với luminosity 1 fb−1 và 2 fb−1 . Trong khi làm việc tại CERN, ngoài việc tham gia vận hành - vii và thu nhận số liệu của LHCb, tác giả đã tham gia viết chương trình phân tích song song một phần số liệu thật LHCb thu được và số liệu Monte Carlo tương ứng, nhằm tìm ra điều kiện tối ưu lựa chọn các sự kiện chứa hyperon. Các điều kiện tối ưu nói trên đã được chương trình phân tích chuẩn của thí nghiệm LHCb chấp nhận để thu gọn toàn bộ số liệu thực nghiệm (compact với tỷ lệ với 1/4845 cho Ξ và 1/9000 cho Ω). Điều đó cho phép luận án chỉ mang lượng số liệu thật tinh lọc tương đối nhỏ (cỡ chục Tb chứa 59 triệu sự kiện Ξ và Ω) về nước để phân tích, hoàn chỉnh các tiêu chuẩn lựa chọn và chạy chương trình nhằm xác định các hạt ứng cử cuối cùng. Phân tích số liệu thật tương ứng với luminosity 1 fb−1 , luận án đã xây dựng lại được 0.6 triệu hạt hyperon lạ Λ(s) nhằm mục đích kiểm tra phương pháp mà tác giả sử dụng, đồng thời đánh giá sai số hệ thống do hai hạt Ξ và Ω được tái xây dựng từ kênh phân rã có chứa Λ. Khoảng 7.45 ×104 hyperon Ξ− (ss) và 9.23 ×103 hyperon Ω− (sss) thu được từ số liệu của 2 năm với tổng luminosity lên tới 3 fb−1 . Số lượng ba loại hyperon lạ được xác định với sai số hệ thống 5 - 6 %, khi sử dụng hiệu suất (acceptance) tính được từ Monte + + Carlo. Phân bố các tỷ số phản hyperon/hyperon Λ/Λ, Ξ /Ξ− , Ω /Ω− và tỷ số Ω/Ξ theo hai biến động học PT và đặc biệt là độ nhanh y cho phép kiểm chứng các mô hình hiện tượng luận. Kết quả tỷ số Λ/Λ mà luận án thu được không giảm theo độ nhanh một cách rõ rệt như kết quả do thí nghiệm LHCb công bố năm 2011. Kết quả LHCb 2011 tương thích với một số mô hình lý thuyết hiện tượng luận khi tính đến vai trò các quark tàn dư trong proton ban đầu. Tuy nhiên, có những điểm khác nhau trong hai phân tích: luminosity của luận án lớn hơn khoảng 5.5 ×105 lần và kết quả LHCb đã công bố chỉ giới hạn cho Λ loại LL. + Kết quả thu được cho thấy trong phạm vi sai số, tỷ số Ξ /Ξ− không thay đổi nhiều theo PT , thêm vào đó không hoàn toàn giảm theo độ nhanh như tiên đoán lý thuyết. Với thành phần ba quark s, số lượng hạt Ω thu được không nhiều so với Λ và Ξ nên kết quả tỷ số + Ω /Ω− có sai số thống kê tương đối lớn. Bởi vì quark s với năng lượng cao không tồn tại + trong proton ban đầu nên về mặt lý thuyết tỷ số Ω /Ω− bằng đơn vị và không phụ thuộc vào các biến động học. Kết quả thu được của luận án không như vậy, nhất là trong vùng độ nhanh và PT thấp. Kết quả tỷ số Ω/Ξ của luận án cũng giảm theo độ nhanh và có xu hướng phù hợp với các mô hình lý thuyết. Các phân tích chi tiết cho thấy tại giá trị độ nhanh cao tốc độ giảm mạnh hơn nhiều so với dự đoán ban đầu. Lý thuyết dự đoán tỷ số Ω/Ξ tăng rất nhẹ theo xung lượng ngang, trên thực tế kết quả thực nghiệm cao hơn giá trị mô phỏng, thêm vào đó tăng rất nhanh tại vùng PT lớn. Hiện tượng sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm đối với tỷ số Ω/Ξ có thể là hệ quả của việc các mô hình lý thuyết hiện tượng luận sử dụng các giá trị ngoại suy đầu vào chưa chính xác, đặc biệt là tiết diện hiệu dụng sinh ra quark s theo hai biến động học y và PT . Để hoàn thiện các mô hình lý thuyết trên cần phải tính đến các quá trình hay cơ chế mới nào đó (tái kết nối màu, tương tác nhiều parton, vận chuyển baryon, . . .), điều đó có thể dẫn đến vật lý mới (new physics). viii Mục lục Lời cam đoan iii Lời cảm ơn v Tóm tắt vii Mục lục ix Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt xi Danh sách bảng xiii Danh sách hình vẽ xvi Mở đầu xxiii 1 Tổng quan về Hyperon lạ 1.1 Mô hình chuẩn . . . . . . . . 1.2 Hadron . . . . . . . . . . . . 1.3 Hạt lạ . . . . . . . . . . . . . 1.4 Các mô hình hiện tượng luận 2 Thiết bị thực nghiệm 2.1 Máy gia tốc LHC . . . . 2.2 Hệ detector vết . . . . . 2.3 Hệ nhận diện hạt . . . . 2.4 Buồng muon . . . . . . 2.5 Trigger . . . . . . . . . . 2.6 Chương trình phân tích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 14 20 28 . . . . . . 33 34 41 51 60 62 65 3 Tái 3.1 3.2 3.3 3.4 xây dựng các hyperon lạ Hyperon lạ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tiêu chuẩn lựa chọn hyperon lạ . . . . . . . . . . . . . . . Áp dụng phân tích toàn bộ số liệu thật (Stripping line) . Đánh giá phông nền trong phân bố khối lượng Hyperon lạ 4 Kết quả thực nghiệm Λ, Ξ và Ω 4.1 Tái xây dựng Λ . . . . . . . . . . . . 4.2 Tái xây dựng Ξ . . . . . . . . . . . . 4.3 Tái xây dựng Ω . . . . . . . . . . . . 4.4 Tỷ số antihyperon/hyperon và Ω/Ξ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 67 69 76 80 . . . . 87 88 97 112 124 Kết luận 141 Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án 143 Tài liệu tham khảo 145 Phụ lục 1 151 Phụ lục 2 157 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Ký hiệu ALICE ATLAS CERN Tiếng Anh A Large Ion Collider Experiment A Toroidal LHC ApparatuS Conseil Européen pour- la Recherche Nucléaire CMS Compact Muon Solenoid CP charge Conjugation Parity DELPHI Detector with Lepton, Photonand Hadron Identification D Downstream track DDD Down-Down-Down DDL Down-Down-Long DLL Delta Log Likelihood DV Decay Vertex ECAL Electric Calorimeter FDCHI2_ Flight Distance χ2 OWNPV with respect to best PV GEM Gaseous Electron Multiplier HCAL Hadronic Calorimeter HLT High Level Trigger HPDs Hybrid Photon Detectors IP Impact Parameter IT Inner Tracker L Long track LHC Large Hadron Collider LHCb Large Hadron Collider beauty xi Tiếng Việt Thí nghiệm ALICE Thí nghiệm ATLAS Trung tâm nghiên cứuhạt nhân châu Âu Thí nghiệm CMS Thí nghiệm DELPHI Vết ngắn Vết ngắn-ngắn-ngắn Vết ngắn-ngắn-dài Delta Log Likelihood Đỉnh phân rã Calorimeter điện từ χ2 của quãng bayứng với đỉnh sơ cấp tốt nhất Calorimeter Hadronic Trigger mức cao Thông số ngắm Detector vết bên trong Vết dài Máy gia tốc LHC Thí nghiệm LHCb LLL MC MWPC OT PBS Long-Long-Long Monte Carlo Multi-Wire Proportional Chambers Outer Tracker Proton Synchrotron Booster Vết dài-dài-dài Mô phỏng Buồng đếm tỉ lệ nhiều dây Detector vết bên ngoài PMT PS PV QCD QED QGP RICH SPD SPS SUSY TT VELO WLS Photo Multiplier Tubes Pre-Shower Primary Vertex Quatum ChromoDynamics Quatum ElectroDynamics Quark-Gluon Plasma Ring Imaging Cherenkov Scintillating Pad Detector Super Proton Synchrotron SUperSYmmetry Tracker Turicensis VErtex LOcator Wave Length-Shifting fibers Ống nhân quang điện Tiền mưa rào Đỉnh sơ cấp Sắc động học lượng tử Điện động lực học lượng tử Quark-Gluon Plasma Detector Cherenkov Siêu đối xứng Danh sách bảng 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Các thế hệ quark và lepton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Các loại tương tác và các boson truyền tương tác. . . . . . . . . . . . . . Các thế hệ lepton trong Mô hình chuẩn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Các boson trước và sau phá hủy đối xứng tự phát. . . . . . . . . . . . . . Các vị quark đầu tiên và tính chất của chúng. . . . . . . . . . . . . . . . . Thành phần quark và các số lượng tử của bộ tám meson giả vô hướng với J P = 0− . S là số lượng tử "lạ" (strangeness). . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Thành phần quark và các số lượng tử của bộ tám meson vector với J P = 1− . 1+ . . . . 2 + = 32 . . . . 1.8 Thành phần quark và các số lượng tử của bộ tám baryon J P = 3 4 5 11 14 16 17 18 1.9 Thành phần quark và các số lượng tử của bộ mười baryon J P 20 1.10 Cấu tạo quark và tính chất của các Hyperon, B là số lượng tử hương vị "đẹp". . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.11 Cấu tạo quark và tính chất của các Baryon Ξ, B là số lượng tử hương vị "đẹp". . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Đặc điểm chính của các hyepron Λ, Ξ và Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . Tiêu chuẩn cắt sơ bộ của hạt Λ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tiêu chuẩn lựa chọn sơ bộ hạt Ξ cho việc thu gọn số liệu. . . . . . . . . . Tiêu chuẩn lựa chọn sơ bộ hạt Ω cho việc thu gọn số liệu. . . . . . . . . . Tiêu chuẩn lựa chọn hạt Ξ nhằm thu gọn số liệu được sử dụng trong √ chương trình phân tích chuẩn của LHCb trên số liệu s = 7 TeV. . . . . 3.6 Tiêu chuẩn lựa chọn hạt Ω nhằm thu gọn số liệu được sử dụng trong √ chương trình phân tích chuẩn của LHCb trên số liệu s = 7 TeV. . . . . 3.7 Tín hiệu và các loại nhiễu sau tiêu chuẩn lựa chọn sơ bộ đối với hạt Ξ. . 3.8 Tín hiệu và các loại nhiễu sau tiêu chuẩn lựa chọn sơ bộ đối với hạt Ω. . 68 70 72 73 78 78 82 83 4.1 Tiêu chuẩn lựa chọn tinh của hạt Λ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 xiii 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 Tọa độ và bán trục của các elips tương ứng với các hạt. . . . . . . . . . . Kết quả phân tích hai loại hạt ứng cử Λ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn các hạt Λ và Λ theo độ nhanh. . . . Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn các hạt Λ (Λ) theo xung lượng ngang PT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ Tiêu chuẩn lựa chọn tinh hạt Ξ trên số liệu s = 7 TeV. . . . . . . . . . . Kết quả phân tích ba loại hạt ứng cử Ξ tại hai mức năng lượng va chạm √ √ pp s = 7 TeV và s = 8 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn của hạt Ξ và Ξ− theo độ nhanh và √ PT tại năng lượng s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn của hạt Ξ và Ξ− theo độ nhanh và √ PT tại năng lượng s = 8 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tiêu chuẩn lựa chọn tinh hạt Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kết quả phân tích của các loại hạt ứng cử Ω tại hai mức năng lượng va √ √ chạm pp s = 7 TeV và s = 8 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn của hạt Ω và Ω− theo độ nhanh và √ PT tại năng lượng s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn của hạt Ω và Ω− theo độ nhanh và √ PT tại năng lượng s = 8 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sai số hệ thống ảnh hưởng tới tỷ số Λ/Λ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bảng tỷ số Λ/Λ theo độ nhanh và xung lượng ngang PT . . . . . . . . . . . + Bảng tỷ số Ξ /Ξ− của hạt theo hai biến đặc trưng độ nhanh và xung + lượng ngang PT . Trong đó, nΞ+ , nΞ− lần lượt là số hạt Ξ , Ξ− thu được √ sau khi tái xây dựng và lựa chọn tại năng lượng khối tâm s = 7 TeV. . + Bảng tỷ số Ξ /Ξ− của hạt theo hàm của độ nhanh và xung lượng ngang √ + PT tại năng lượng s = 8 TeV. Trong đó, nΞ+ , nΞ− lần lượt là số hạt Ξ , Ξ− thu được sau khi tái xây dựng và lựa chọn. . . . . . . . . . . . . . . . + Bảng tỷ số Ω /Ω− của hạt theo độ nhanh và theo xung lượng ngang PT . + nΩ+ , nΩ− lần lượt là số hạt Ω , Ω− thu được sau khi tái xây dựng và lựa √ chọn khi cho va chạm pp tại năng lượng khối tâm s = 7 TeV. . . . . . . + Bảng tỷ số Ω /Ω− của hạt theo hai biến động học độ nhanh và theo xung lượng ngang PT khi hai chùm pp va chạm với nhau tại năng lượng khối √ + tâm s = 8 TeV. nΩ+ , nΩ− lần lượt là số hạt Ω , Ω− thu được sau khi tái xây dựng và lựa chọn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv 92 95 96 97 98 104 110 112 113 118 123 123 128 129 132 133 135 136 4.20 Bảng tỷ số Ω/Ξ biểu diễn theo độ nhanh và theo xung lượng ngang PT . Trong đó, RΩ/Ξ c là tỷ số Ω/Ξ đã được hiệu chỉnh và RΩ/Ξ c,PT <2GeV là tỷ số đã được hiệu chỉnh với điều kiện PT < 2GeV/c tại năng lượng va chạm √ pp s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.21 Bảng tỷ số Ω/Ξ biểu diễn theo độ nhanh và theo xung lượng ngang PT . Trong đó, RΩ/Ξ c là tỷ số Ω/Ξ đã được hiệu chỉnh và RΩ/Ξ c,PT <2GeV là tỷ số đã được hiệu chỉnh với điều kiện PT < 2GeV/c tại năng lượng va chạm √ pp s = 8 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 1 2 Tiêu chuẩn lựa chọn hạt Ξ nhằm thu gọn 2 fb−1 số trong chương trình phân tích chuẩn của LHCb . . . Tiêu chuẩn lựa chọn hạt Ω nhằm thu gọn 2 fb−1 số trong chương trình phân tích chuẩn của LHCb . . . liệu được . . . . . . liệu được . . . . . . sử dụng . . . . . . 152 sử dụng . . . . . . 152 Danh sách hình vẽ 1.1 Các hạt cơ bản trong Mô hình chuẩn [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Năng lượng tương tác được lựa chọn cho trường Higgs hai thành phần φ [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Bộ ba quark và antiquark [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4 Bộ "tám" meson (thực ra có 9 meson trong sơ đồ này, do meson được cấu tạo bởi một quark và một phản quark nên tổ hợp của chúng là những bộ tám và bộ đơn vì 3F ⊗ 3F = 8F ⊕ 1F ) với spin và chẵn lẻ J P = 0− Hình 1.4a và J P = 1− Hình 1.4b [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 + 1.5 Bộ tám baryon với spin và chẵn lẻ J P = 12 (Hình 1.5a) và bộ mười + baryon với spin và chẵn lẻ J P = 32 (Hình 1.5b) [24]. . . . . . . . . . . . . 19 0 1.6 ` là moment quỹ đạo của các quark a và b, ` là moment quỹ đạo của quark c so với cặp quark ab [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.7 Phát hiện hạt V 0 đầu tiên trong buồng sương [63]. . . . . . . . . . . . . . 21 1.8 Hình ảnh hai hạt K 0 và Λ0 sinh ra trong buồng bọt. . . . . . . . . . . . . 23 1.9 Giản đồ Feynman phân rã của hạt Λ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.10 Bảng tuần hoàn các siêu hạt nhân (Hình a) và cấu trúc sao neutron (Hình b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.11 Bộ mười baryon với spin và chẵn lẻ J P = 3+ 2 với Ω− [24]. . . . . . . . . . . 27 1.12 Hình ảnh phát hiện hạt Ω− đầu tiên sinh ra trong buồng bọt [11]. . . . . 28 1.13 Tương tác của các parton và màu (Hình a) và tái kết hợp các màu (Hình b) [65]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.14 Với các dây tái kết nối màu, các parton tán xạ trong vùng trung tâm không tự do bay ra khỏi vùng này mà hadron hoá thành những hạt cùng bay ra (Hình 1.14a). Liệu chúng có liên kết với những tàn dư của proton ban đầu không (Hình 1.14b)? [65]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 xvi 1.15 Với chỉ hai tương tác trong vùng trung tâm (Hình 1.15a), ta còn có thể phân biệt được các sản phẩm của tương tác dưới dạng jets. Với hiện tượng bức xạ trong trạng thái đầu và cuối, tình hình trở nên vô cùng phức tạp (Hình 1.15b), và ta còn có thể có hiện tượng tái kết nối màu (color reconnexion) [65]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.16 Phân bố số hạt tích điện; phân bố cho thấy số hạt được sinh ra nhỏ hơn dự đoán nếu không tính đến tái kết nối màu (các điểm "no CR"). . . . . 32 2.1 Máy gia tốc LHC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Máy gia tốc LHC và các thí nghiệm chính của nó, ATLAS, CMS, ALICE và LHCb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Sơ đồ Detector LHCb (Hình trên) và thiết bị thật được lắp đặt trong hầm của LHCb (Hình dưới). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ 2.4 Góc phân cực các hadron bb được tạo ra trong va chạm pp tại s=14 TeV (PYTHIA) (Hình 2.4a). Xác suất có n = 0, 1, 2, 3 hoặc 4 va chạm protonproton không đàn hồi trong mỗi lần giao nhau của các "bó" proton theo giá trị của luminosity L (Hình 2.4b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Hệ xác định quỹ đạo của detector LHCb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Sơ đồ của detector VELO (Hình a). Nửa detector VELO với các nửa sensor của nó (Hình b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Vị trí của 21 module của VELO theo trục z . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Hai nửa VELO được xếp so le theo z (Hình a). Hai nửa sensor VELO khi đóng kín. Đối với sensor φ, các dải trên hai module cạnh nhau được kéo ra cho phép tái xây dựng lập thể (stereoscopic) (Hình b). . . . . . . . 2.9 Cấu tạo của 4 lớp của detector TT (Hình a). Ảnh của lớp TT được lắp đặt (Hình b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Một trong 3 trạm vết T1-T3 được nhìn từ phía trên (a) và được nhìn từ phía trước (b). Màu cam của IT và màu xanh da trời của OT. Đơn vị là cm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11 Bố trí của lớp x (a), và lớp stereo (b) trong trạm IT. Đơn vị là cm. . . . 2.12 Cấu tạo của OT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.13 Nam châm lưỡng cực của LHCb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14 Sơ đồ của một detector hạt truyền thống cho phép nhận diện hạt. Phát triển của chùm mưa rào theo mặt cắt dọc (Hình a) và theo mặt cắt ngang (Hình b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii 35 37 39 40 42 43 44 45 47 48 48 49 50 51 2.15 Phân cực môi trường với v < c/n (bên trái) và v > c/n (bên phải). . . . . 2.16 Cấu tạo của RICH1 và RICH2 (Hình (a,b), phía trên). Hình ảnh các sự kiện thu được bởi chúng (Hình (c,d), phía dưới). . . . . . . . . . . . . . . 2.17 Nguyên lý hoạt động của pixel HPD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.18 Hệ SPD/PS (Hình a). Hình ảnh tấm sintillator SPD/PS (Hình b). . . . . 2.19 Calorimeter điện từ (Hình a) tạo thành từ 3 loại module khác nhau (Hình b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.20 Calorimeter hadronic (Hình a). Cấu trúc cơ bản của Cell sử dụng trong HCAL (Hình b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.21 Mặt cắt dọc của hệ muon của LHCb (Hình a). Bố trí 4 vùng R1-R4 của trạm (Hình b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.22 Sơ đồ hệ thống trigger của LHCb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.23 Các đường phân tích được áp dụng ở trigger trong thí nghiệm LHCb. . . 2.24 Sơ đồ cấu trúc của phần mềm LHCb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Giản đồ Feymann của hạt Λ, Ξ− và Ω− theo kênh phân rã chính. . . . . . 3.2 Các loại vết được tái xây dựng trong Detector LHCb. . . . . . . . . . . . 3.3 Kết quả phân tích Monte Carlo cho kênh Ξ− → Λπ − . (a) Phân bố χ2 /nDoF cho π bachelor. (b) Phân bố min IP χ2 của proton đối với đỉnh phân rã Λ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Kết quả phân tích Monte Carlo cho kênh Ξ− → Λπ − . (a) Phân bố khối lượng của hạt Lambda được dựng lại từ pion và proton. (b) Phân bố χ2vtx của hạt Ξ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn của hạt Ξ theo hàm độ nhanh và PT . 3.6 Phân bố của hạt Ξ theo các biến đặc trưng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Phân bố các hạt con của Ξ theo các biến đặc trưng. . . . . . . . . . . . . 3.8 Các phân bố đặc trưng thu được sau quá trình thu gọn số liệu cho Ξ và √ Ω tại năng lượng va chạm pp s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9 Hiệu suất tái xây dựng sau quá trình thu gọn số liệu cho Ξ (bên trên) và √ Ω (bên dưới) theo độ nhanh và PT tại năng lượng va chạm pp s = 7 TeV. 3.10 Phân bố tín hiệu Ξ và các loại nhiễu sau cắt loại LLL (Hình 3.10a), loại DDL (Hình 3.10b) và loại DDD (Hình 3.10c). Màu đỏ là tín hiệu, màu xanh dương là nhiễu với khối lượng thấp, màu vàng là nhiễu ghost, xanh da trời là nhiễu do đỉnh sơ cấp và màu xanh tím là nhiễu uds. . . . . . . xviii 54 56 57 58 59 60 61 63 64 65 68 69 71 72 74 76 77 79 80 84 3.11 Phân bố tín hiệu Ω và các loại nhiễu sau cắt loại LLL (Hình 3.11a), loại DDL (Hình 3.11b) và loại DDD (Hình 3.11c). Màu đỏ là tín hiệu, màu xanh dương là nhiễu với khối lượng thấp, màu vàng là nhiễu ghost, xanh da trời là nhiễu do đỉnh sơ cấp và màu xanh tím là nhiễu uds. . . . . . . 85 4.1 Đồ thị Armenteros biểu diễn xung lượng ngang PT của các track theo α. 4.2 Armenteros của hạt Λ biểu diễn xung lượng ngang PT của các track theo α (bên trái) và phân bố khối lượng của hạt Λ với giả thuyết nhận diện nhầm hạt con pion thành proton (bên phải). . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Phân bố khối lượng của hạt Λ tổng cộng (bên trái) và theo từng loại LL, √ DD (bên phải) tại năng lượng s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Phân bố hai chiều theo PT − y (Hình a) và theo cosθ (Hình b) của hạt Λ √ thu được từ số liệu tại năng lượng s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn các hạt Λ theo hàm độ nhanh (Hình 4.5a) và theo hàm PT (Hình 4.5b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Phân bố Armenteros và phân bố khối lượng của hạt con Λ theo ba loại hạt Ξ LLL, DDL và DDD sinh ra từ va chạm pp với năng lượng 7 TeV (phía trên) và năng lượng 8 TeV (phía dưới). . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Phân bố Armenteros lý thuyết cho trường hợp các hạt Ξ và Ω có β = 1. . 4.8 Phân bố Armenteros của hạt Ξ theo LLL, DDL, DDD và tất cả các loại sinh ra từ va chạm pp với năng lượng 7 TeV (bên trái) và năng lượng 8 TeV (bên phải). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Phân bố theo PT − y (bên trên) và cosθ (bên dưới) của hạt Ξ sinh ra từ √ √ va chạm pp với s = 7 TeV (phía trái) và s = 8 TeV (phía phải). . . . . 4.10 Phân bố khối lượng và thời gian sống của hạt Ξ của cả ba loại LLL, DDL √ và DDD tại năng lượng s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11 Hiệu suất tái xây dựng theo thời gian sống của hạt Ξ. . . . . . . . . . . . 4.12 Phân bố khối lượng và thời gian sống của hạt Ξ theo ba loại LLL, DDL √ và DDD tại năng lượng s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13 Phân bố khối lượng và thời gian sống của hạt Ξ theo ba loại LLL, DDL √ và DDD tại năng lượng s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.14 Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn của hạt Ξ theo độ nhanh (bên trên) √ và theo PT (bên dưới) tại năng lượng s = 7 TeV (8 TeV) bên trái (bên + phải). Các tam giác màu đỏ là hiệu suất cho hạt Ξ và các ô vuông màu xanh lá cây là hiệu suất cho hạt Ξ− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix 91 93 94 95 97 100 101 102 103 105 105 106 107 109 4.15 Các phân bố của hạt Ξ (bên trái) và của hạt Ω (bên phải) theo các đại lượng đặc trưng tại năng lượng va chạm pp 7 TeV và 8 TeV. . . . . . . . . 111 4.16 Phân bố Armenteros và phân bố khối lượng của hạt con Λ theo ba loại hạt Ω LLL, DDL và DDD sinh ra từ va chạm pp với năng lượng 7 TeV (phía trên) và năng lượng 8 TeV (phía dưới). . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.17 Phân bố Armenteros của hạt Ω theo LLL, DDL, DDD và tất cả các loại sinh ra từ va chạm pp với năng lượng 7 TeV (bên trái) và năng lượng 8 TeV (bên phải). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 4.18 Phân bố theo PT − y (bên trên) và cosθ (bên dưới) của hạt Ω sinh ra từ √ √ va chạm pp với s = 7 TeV (phía trái) và s = 8 TeV (phía phải). . . . . 117 √ 4.19 Phân bố khối lượng và thời gian sống của hạt Ω− tại năng lượng s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.20 Phân bố khối lượng và thời gian sống của hạt Ω theo ba loại LLL, DDL √ và DDD tại năng lượng s = 7 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.21 Hiệu suất tái xây dựng thời gian sống của hạt Ω. . . . . . . . . . . . . . . 120 4.22 Phân bố khối lượng của hạt Ω theo ba loại LLL, DDL và DDD tại năng √ lượng s = 8 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.23 Hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn của hạt Ω theo độ nhanh (bên trên) √ và theo PT (bên dưới) tại năng lượng s = 7 TeV (8 TeV) bên trái (bên phải). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.24 Tỷ số Λ/Λ theo độ nhanh (bên trái) và theo hàm PT (bên phải). . . . . . 125 4.25 Tỷ số Λ/Λ theo độ nhanh và theo PT theo kết quả của LHCb [41]. . . . . 130 + 4.26 Tỷ số Ξ /Ξ− theo hàm độ nhanh (bên trái) và theo hàm PT (bên phải) √ √ tại năng lượng s = 7 TeV (bên trên) và năng lượng s = 8 TeV (bên dưới). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 + 4.27 Tỷ số Ω /Ω− theo hàm độ nhanh và theo hàm PT tại năng lượng khối √ √ tâm s = 7 TeV (bên trên) và s = 8 TeV (bên dưới). . . . . . . . . . . . 134 4.28 Tỷ số Ω/Ξ theo độ nhanh (bên trên) và theo PT (bên dưới) tại năng lượng √ √ s = 7 TeV (bên trái) và năng lượng s = 8 TeV (bên phải). . . . . . . . 138 1 Phân bố năng lượng và quãng bay của hyperon cho Ξ và Ω thu được sau √ quá trình thu gọn 1 fb−1 số liệu tại năng lượng va chạm pp s = 7 TeV. 151 2 Các phân bố đặc trưng thu được sau quá trình thu gọn 2 fb−1 số liệu cho √ Ξ và Ω tại năng lượng va chạm pp s = 8 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . 153 xx 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Hiệu suất tái xây dựng sau quá trình thu gọn số liệu cho Ξ (bên trên) và √ Ω (bên dưới) theo hàm rapidity và PT tại năng lượng va chạm pp s = 8 TeV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Sơ đồ thuật toán phân loại các nhiễu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Phân bố khối lượng của hạt Λ theo các bin của độ nhanh . . . . . . . . . Phân bố khối lượng của hạt Λ theo các bin của độ nhanh . . . . . . . . . Phân bố khối lượng của hạt Λ theo bin PT . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phân bố khối lượng của hạt Λ theo bin PT . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ + Phân bố khối lượng của hạt Ξ theo bin độ nhanh tại năng lượng s = 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ Phân bố khối lượng của hạt Ξ− theo bin độ nhanh tại năng lượng s = 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ + Phân bố khối lượng của hạt Ξ theo các bin của PT tại năng lượng s = 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ Phân bố khối lượng của hạt Ξ− theo các bin của PT tại năng lượng s = 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ + Phân bố khối lượng của hạt Ξ theo bin độ nhanh tại năng lượng s = 8 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ Phân bố khối lượng của hạt Ξ− theo bin độ nhanh tại năng lượng s = 8 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ + Phân bố khối lượng của hạt Ξ theo các bin của PT tại năng lượng s = 8 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ Phân bố khối lượng của hạt Ξ− theo các bin của PT tại năng lượng s = 8 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ + Phân bố khối lượng của hạt Ω theo bin độ nhanh tại năng lượng s = 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ Phân bố khối lượng của hạt Ω− theo bin độ nhanh tại năng lượng s = 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ + Phân bố khối lượng của hạt Ω theo các bin của PT tại năng lượng s = 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ Phân bố khối lượng của hạt Ω− theo các bin của PT tại năng lượng s = 7 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . √ + Phân bố khối lượng của hạt Ω theo bin độ nhanh tại năng lượng s = 8 TeV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi 157 158 159 159 160 160 161 161 162 162 163 163 164 164 165 165 166