Bài toán tam giác vật chất

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'bài toán tam giác vật chất', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài toán tam giác vật chất

Bài toán tam giác v t ch t Tim Gershon Các nhà v t lí t i “Xư ng B” Mĩ và Nh t B n ang ti n r t g n n m t bi u tr u tư ng g i là tam giác nh t th trong s n l c nh m gi i thích s khác nhau gi a v t ch t và ph n v t ch t. Nhưng, theo l i Tim Gershon, thì nh ng phép o như v y ng th i cũng ch rõ cách th c khám phá ra nh ng h t cơ b n m i. Khi nào thì m t tam giác không ph i là tam giác ? Dù b n có tin hay không thì câu l kì này v n ư c gói g n trong nhi u nghiên c u th i gian g n ây thu c lĩnh v c v t lí h t. Tam giác trong câu này là “tam giác ơn nh t” miêu t nh ng tương tác gi a các lo i quark khác nhau. Quark là thành ph n cơ b n c u t o nên các proton và neutron. Là m t ph n quan tr ng c a Mô hình Chu n c a v t lí h t cơ b n, tam giác ơn nh t cung c p các manh m i v s khác nhau không d nh n ra gi a v t ch t và ph n v t ch t, giúp tr l i câu h i t i sao vũ tr l i không tan bi n thành hư vô ngay t c thì sau khi v n Big Bang x y ra. úng ra thì sau Big Bang, lư ng v t ch t và ph n v t ch t ư c t o ra ph i b ng nhau. Nhưng vũ tr mà chúng ta th y ngày nay ch a toàn là v t ch t, i u ó ưa n k t qu là ph i có m t vài s khác nhau gi a hành tr ng c a các h t và các ph n h t tương ng c a chúng. Mô hình Chu n ã k t h p s khác nhau ó qua m t hi n tư ng g i là s vi ph m i x ng CP. M t s i x ng b phá v c a t nhiên ã ư c xác minh b ng th c nghi m trong th p niên 1960. Hi n tư ng này liên h tam giác ơn nh t v i th gi i th c, b i vì quy mô vi ph m i x ng CP – và do ó m c khác nhau gi a v t ch t và ph n v t ch t – t l v i di n tích c a tam giác này. Hình 1 (Ngu n: TEK Image/Science Photo Library) Bài toán tam giác v t ch t, 1/12
Tuy nhiên, m t s s vi ph m i x ng CP mà Mô hình Chu n tiên oán ch có th gi i thích cho kho ng m t ph n t c a s chênh l ch v t ch t – ph n v t ch t chúng ta nhìn th y trong vũ tr . Th c ra, ây ch là m t trong nhi u v n c a Mô hình Chu n. Nh ng bài toán khác cũng chưa ư c gi i quy t là gi i thích s h p d n hay tính ng nh t c a “v t ch t t i”. Vì v y, các nhà v t lí tin r ng, m c dù có nh ng tiên oán r t thành công, nhưng r t cu c thì Mô hình Chu n cũng s b thay th b i m t lí thuy t t ng quát hơn. M t cách ki m tra nh ng lí thuy t này là ti n hành kh o sát các c tính c a tam giác ơn nh t: theo Mô hình Chu n thì nó là m t tam giác hoàn ch nh, nhưng n u m t h t m i t n t i thì tam giác này s b “phá v ”. K t khi khám phá ra s vi ph m i x ng CP, nhi u thí nghi m khác nhau ã ư c ti n hành nh m kh o sát s nh hư ng c a nó lên các h t g i là kaon trung hòa, nhưng nh ng phép o này không liên h tr c ti p n các tính ch t c a tam giác ơn nh t. Tuy nhiên, trong vài năm tr l i ây, các nhà nghiên c u t i các phòng thí nghi m v t lí h t kh ng l , như BaBar Mĩ và Belle Nh t B n, ã có nh ng phép o chính xác các góc và chi u dài các c nh c a tam giác ơn nh t, b ng cách nghiên c u hành tr ng c a các h t khác g i là meson B. Nh ng k t qu nghiên c u g n ây cho th y bi u thu ư c r t g n v i m t tam giác. Nhưng v n còn có s b t nh trong thí nghi m, và vi c tinh l c nh ng hi u bi t c a chúng ta v tam giác ơn nh t v i nh ng thí nghi m trong tương lai là m t cách quy t nh nh m ưa n n v t lí ti n xa sang bên kia Mô hình Chu n. S vi ph m i x ng Theo Mô hình Chu n, toàn b v t ch t ư c c u thành t các quark và lepton, trong ó m i lo i h t này l i có 6 lo i hay 6 “mùi” khác nhau. C quark và lepton mùi m i lo i l i chia thành 3 dòng: i v i quark là up (lên) và down (xu ng), charm (duyên) và strange (l ), và top ( nh) và bottom ( áy); còn v i lepton m i dòng ch a m t lepton mang i n – electron, muon, và tau – và m t neutrino cùng tên tương ng. M i quark và lepton cũng có thành ph n ph n v t ch t tương ng. M i nguyên t u ư c c u t o ch t các h t thu c dòng th nh t – các quark up và down (chúng k t h p v i nhau hình thành nên proton và neutron) và electron. M t trong nh ng v n cơ b n c a v t lí h t là t i sao có hai, và ch có hai, dòng thành ph n v i nh ng tính ch t tương ng, còn kh i lư ng chênh nhau r t nhi u. làm ph c t p thêm b c tranh này c a th gi i h nguyên t , mùi v c a m t quark còn có th thay i do tương tác y u. Ch ng h n, phân h y beta h t nhân – trong ó m t neutron phân h y thành m t proton, m t electron và m t ph n neutrino electron – là do m t quark down trong neutron chuy n thành m t quark up b ng cách phát ra m t “boson W”, là m t trong nh ng h t mang tương tác y u. Vì boson W có i n tích ± 1 ( ơn v i n tích electron) nên s chuy n hóa như v y ch có th x y ra gi a các quark “lo i up” (up, charm, top) có i n tích + 2/3, và các quark “lo i down” (down, strange, bottom) có i n tích – 1/3. Kh năng x y ra m t trong chín s thay i mùi c a quark ư c mô t b ng m t ma tr n 3 x 3, g i là ma tr n h n h p Cabibbo – Kobayashi – Maskawa (CKM). Các hàng c a ma tr n ng v i các quark lo i up, các c t c a ma tr n ng v i các quark lo i down, và m i ô vuông c a ma tr n cho bi t xác su t x y ra s thay i mùi (xem hình bên dư i). Trong khi ó, tương tác y u c a các ph n quark l i b chi ph i b i liên h p ph c c a ma tr n CKM – ma tr n liên h p ư c thành l p b ng cách gi nguyên ph n th c c a m i thành ph n c a nó và i d u ph n o. Vì v y, n u Bài toán tam giác v t ch t, 2/12
ma tr n CKM không có các thành ph n o thì các quark và ph n quark s có các tương tác y u gi ng h t nhau. Tuy nhiên, các thí nghi m cho th y r ng i u này không ph i là do s vi ph m i x ng CP. Kí hi u C và P là các toán t i x ng: C là liên h p i n tích, nghĩa là i m i h t trong h thành ph n h t c a nó; và P là tính ch n l , nghĩa là o d u c ba t a không gian. Cho n t n nh ng năm 1960, các nhà v t lí v n cho r ng n u tác ng ng th i toán t C và P trên m t h , thì h m i thu ư c s có tính ch t hoàn toàn tương t như h cũ. Tuy nhiên, vào năm 1964, Jim Cronin và Val Fitch trư ng i h c Princeton ã quan sát th y s phân h y c a các h t g i là kaon trung hòa có th i gian s ng dài, c u t o g m quark down và strange, và các ph n quark, không tuân theo i x ng CP. Khám phá này ã mang l i gi i Nobel cho Cronin và Fitch. Nó th t s là m t cú s c cho các nhà v t lí, vì 10 năm trư c ó Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa Nh t B n ã xu t m t gi i pháp dư i hình th c ma tr n CKM. Vào th i gian Cronin và Fitch khám phá ra s vi ph m i x ng CP, ngư i ta ch m i bi t n hai dòng quark u tiên, và ch cho phép t n t i ma tr n h n h p 2 x 2 v i các thành ph n s th c, do Nicola Cabibbo ưa ra vào năm 1963. Ý tư ng c a Kobayashi và Maskawa nêu ra v i dòng qaurk th ba, ưa n ma tr n 3 x 3 ch a các s ph c, và do ó có t cho s vi ph m i x ng CP. Vi c tiên oán s t n t i c a hai quark m i là m t bư c nh y v t v cơ b n, nhưng s m o hi m ã thu ư c k t qu khi quark bottom ư c phát hi n t i Fermilab Mĩ vào năm 1977. Th t v y, ma tr n CKM t n t i như là m t b ph n c a Mô hình Chu n ngay c trư c khi phát hi n ra quark top (h t ki u up c a quark top), cũng taij Fermilab Mĩ, vào năm 1995. Chín thành ph n c a ma tr n CKM không hoàn toàn c l p v i nhau. Ch ng h n, vì m t quark up ph i chuy n thành m t trong ba quark lo i down nên xác su t liên k t ph i ư c c ng l i. Th c ra, ma tr n CKM có th ư c bi u di n dư i d ng c a b n thông s c l p: ba “góc h n h p” th c và m t “pha” o d n t i s vi ph m i x ng CP. Tam giác ơn nh t ơn gi n là m t cách bi u di n nh ng con s này trong m t bi u . Nó ư c James Bjorken và Cecilia Jarlskog nêu ra l n u tiên vào năm 1988. Trong tam giác này, các góc (kí hi u là α, β và γ) và các c nh (Ru và Rt) tương ng v i s k t h p nh t nh c a các thành ph n c a ma tr n CKM (xem hình 5). Chi u cao c a tam giác ph thu c vào pha o, và vì ma tr n CKM ch a các s ph c nên tam giác nh t th là m t tam giác, ch không ph i là ư ng th ng m t chi u. M c dù Kobayashi và Maskawa ã tiên oán thành công dòng quark th ba, nhưng xác nh n th t s c n gi i thích chính xác s vi ph m i x ng CP. Các nhà nghiên c u ph i ch ra ư c r ng tam giác ơn nh t th t s là m t tam giác, b ng cách xác nh các góc và c nh c a nó. Ngư i ta có th làm i u này b ng cách kh o sát c n th n s phân h y c a các h t ư c ch n trư c, trong ó có x y ra s chuy n i quark mùi, và do ó liên quan n các thành ph n c a ma tr n CKM, tương ng v i m t trong các thông s c a tam giác. Trong các thí nghi m này, ngư i ta mong r ng s vi ph m i x ng CP các h t ch a các quark bottom s di n ra m nh hơn so v i các h t kaon ã ư c quan sát trư c ó. Nghĩa là, các h t ch a quark bottom có th x s r t khác v i các h t ch a Bài toán tam giác v t ch t, 3/12
các ph n quark bottom. Có th quan sát th y i u này, ch ng h n, t c phân h y khác nhau thành nh ng s n ph m nh t nh c a meson B và các ph n meson (c u t o t m t quark ho c ph n quark bottom, và m t quark ho c ph n quark up ho c down). B ng cách nghiên c u “tính không i x ng CP” này các h meson B, các nhà nghiên c u có th tóm ư c nh ng tính ch t c a tam giác ơn nh t. ư ng sinh c a các quark bottom Ch m t ph n nh các meson B ch u s phân h y trong ó có s vi ph m i x ng CP như tiên oán. Do ó, có ư c tam giác ơn nh t, chúng ta ph i c n ph i t o ra m t s lư ng l n r t l n meson B, b ng thi t b va ch m h t có tên là “Xư ng B”. Trong c máy này, các electron và positron va ch m vào nhau năng lư ng thích h p, t o ra m t h t g i là h t Y (4S). H t này c u t o t m t quark và m t ph n quark top, nó h u như phân h y ngay t c thì thành m t meson và m t ph n meson B. c bi t, các chùm electron và positron trong nh ng va ch m này không có cùng năng lư ng nên s b o toàn xung lư ng ch c ch n r ng các meson sinh ra ang chuy n ng. i u này cho phép các nhà nghiên c u xác nh ư c th i gian c n thi t h t phân h y, và do ó tính ư c t c phân h y c a chúng, t kho ng cách mà chúng i ư c trư c khi phân h y. Hai c máy không i x ng như v y ã ư c hoàn t t t i Trung tâm Máy gia t c tuy n tính Stanford (SLAC) California và KEK Nh t B n. M c tiêu ban u c a các xư ng B này là o góc β c a tam giác ơn nh t. Mà t c c a các va ch m electron – positron ph thu c vào s ư c lư ng các meson B c n thi t o thông s này m t cách chính xác. Th t may m n, lúc b y gi ngư i ta ã ư c tính ư c i u ó, và r i thì quark top ư c tìm th y n ng hơn nhi u so v i d oán. S tính toán sai này, cùng v i cu c ch y ua gi a SLAC và KEK, khi n cho các c máy t t i t c va ch m c c kì cao. Trên m t t c p meson B ã ư c t o ra b i hai c máy, và các detector i kèm v i chúng – BaBar t i SLAC và Belle t i KEK – ã thu ư c d li u úng như mong i. Quá trình c bi t cho phép ngư i ta o ư c góc β là tính không i x ng t c phân h y c a các meson B0 (m t ph n quark bottom và m t quark down) và các ph n meson B 0 (m t quark bottom và m t ph n quark down) thành hai meson khác, KS (kaon trung hòa có th i gian s ng ng n) và J/ ψ (m t quark và m t ph n quark charm). S không i x ng này x y ra do m t meson B0 có th phân h y thành m t meson J/ψ ho c là m t meson KS m t cách tr c ti p, ho c sau khi “dao ng” thành B 0 - quá trình x y ra ngư c l i i v i m t h t B 0 . Dao ng là hi n tư ng mà nh ó m t meson B trung hòa có th chuy n thành các ph n meson c a nó b ng cách t c th i t o ra m t c p h t – ph n h t “ o” c a các quark top – nguyên lí b t nh cho phép các quark top n ng hơn sinh ra nhưng ch trong m t kho ng th i gian r t ng n. Do s giao thoa cơ lư ng t gi a các tuy n phân h y tr c ti p và dao ng, nên v trung binh các meson B0 s ng lâu hơn m t chút trư c khi phân h y thành J/ψ và KS so v i các h t B 0 . Vì nh ng nguyên t c bi t c a ma tr n CKM tương ng v i s chuy n i mùi trong phân h y dao ng và tr c ti p, nên l n c a s không i x ng này t l v i sin2β. quan sát s không i x ng này, trư c tiên các nhà nghiên c u c n ph i nh n ra s lư ng l n các phân h y t o thành J/ψ và KS. Vi c này tương i khó khăn vì Bài toán tam giác v t ch t, 4/12
th c t là các phân h y ki u này ch x y ra m t l n trong s 2000 phân h y (xem hình 2). Sau ó, chúng ta c n ph i bi t là h t B0 hay B 0 t va ch m ban u ã phân h y thành J/ψ và KS. i u này có th th c hi n b ng cách quan sát xem meson khác ư c t o ra trong va ch m electron – positron phân h y như th nào xác nh nó 0 0 có ph i là B hay B - m t công vi c có tên là “b t mùi”. Cu i cùng, xác nh th i gian s ng c a meson B, ta ph i xác nh ư c v trí t i ó nó phân h y. Nhu c u b t mùi và o v trí phân h y m t cách chính xác là tiêu chí khi thi t k các detector BaBar và Belle (xem ph n dư i). Hình 2. Trong xư ng B, electron và positron va ch m v i nhau v i năng lư ng v a sinh ra m t h t Y (4S). H t này ngay t c thì phân h y thành m t meson B0 và m t meson B 0 . Khi năng lư ng electron cao hơn positron thì meson B s bay kh i hư ng c a chùm electron trư c khi phân h y trong vòng vài pico giây. Lo i phân h y c bi t h p d n xác nh s vi ph m i x ng CP là khi m t meson B phân h y thành m t meson KS và J/ψ. Hai h t này tương ng s phân h y thành m t c p pion và m t c p muon. Tuy nhiên, vì m t h t B0 ho c m t h t B 0 u có th t o ra nh ng s n ph m này, nên các nhà nghiên c u c n ph i xác nh s phân h y c a meson B khác trong s ki n xác minh s n ph m sinh ra là c a h t nào. V trí hai meson B phân h y ph i ư c xác nh tìm th i gian s ng c a các h t (t1 và t2). Mô hình Chu n d oán các meson B0 tính trung bình s phân h y mu n hơn m t chút so v i các meson B 0 , còn mu n hơn bao nhiêu là ph thu c vào góc β c a tam giác ơn nh t. i nghiên c u BaBar và Belle ã công b k t qu ban u c a h v phân h y 0 B → J/ψ Ks vào năm 2001. úng như Mô hình Chu n d oán, chúng ta th y m t phân h y c a h t B0 và B 0 - i u này cho phép các nhà s i x ng l n t c nghiên c u xác nh góc β c a tam giác ơn nh t. Các i nghiên c u ã c i ti n nh ng phép o này, và giá tr trung bình ư c th gi i công nh n hi n nay là β = 21.2° ± 1.0°. Th t v y, góc β có giá tr khác không có nghĩa là s vi ph m i x ng CP d t khoát x y ra trong h meson, và l n c a góc phù h p v i nh ng Bài toán tam giác v t ch t, 5/12
nghiên c u trư c ây v các hi u ng vi ph m i x ng CP nh hơn nhi u trong h kaon. Tuy nhiên, nh nghĩa m t tam giác, c n ph i o ít nh t là hai góc. Ban u ngư i ta cho r ng có th o góc sin2α b ng cách gi ng như o góc sin2β, nhưng s d ng phân h y B0 n+ n- thay cho phân h y B0 → J/ψ Ks. Vì các pion c u t o t các quark và ph n quark up và down, các nguyên t khác c a ma tr n CKM b t bu c ph i sánh v i phân h y d ng th hai trên, và do ó có th o ư c m t góc khác. Tuy nhiên, không gi ng như phân h y B0 → J/ψ Ks, s không i x ng trong phân h y B0 n+ n- không t l ơn gi n v i sin2α, nên c n ph i tính toán thêm m i rút ra góc m t cách chính xác. Tương t như v y, trong khi ôi khi ngư i ta bi t r ng có th thu ư c góc th ba, γ, b ng cách o s không i x ng CP trong các phân h y B0 DK (trong ó D là meson ch a các quark charm), th t khó thu ư c s cư ng ép chính xác cho thông s này, vì ch m t trong s m t tri u meson B là phân h y thành các tr ng thái thích h p. Tuy nhiên, ã có nh ng ti n b gây n tư ng sâu s c khi ti n hành o ư c c α và β, nh s h p tác gi a nh ng nhà lí thuy t và th c nghi m, cho ra i nh ng kĩ thu t phân tích m i. Giá tr trung bình ư c th gi i công nh n hi n nay là α = 92° ± 7° và γ = 82° ± 20°. Trong ph m vi sai s , ba góc này qu th c có t ng b ng 180o. o các c nh tam giác C nh c a tam giác nh t th là gì ? Theo nh nghĩa thì c nh áy có chi u dài b ng 1, còn hai c nh kia ph i ti n hành o b ng th c nghi m ki m tra xem chi u dài c a chúng có phù h p v i các góc hay không. Ngư i ta g i vi c này là “ch ng ” tam giác. N u Mô hình Chu n là chính xác thì m i phép o ph i phù h p v i m t góc riêng r , còn m i l ch u ch ng t s ng tr c a m t quy lu t v t lí m i. Trong khi các phép o góc d a vào tính không i x ng CP gi a các meson B và các ph n meson, thì các c nh tam giác có th ư c xác nh chì t nh ng t c phân h y thích h p. i u nay nghe có v ít cam go hơn, nhưng ph c t p s gia tăng áng k khi o ng th i c hai c nh. C nh bên trái c a tam giác ph thu c vào nguyên t c a ma tr n CKM liên quan t i các quark up và bottom, Vub. Có hai k ho ch o giá tr c a nó: k ho ch th nh t là “bao g m”, c n ph i o t c meson B phân h y thành b t c h t nào khác ch a m t quark up (c ng v i m t lepton và m t neutrino); k ho ch th hai là “lo i tr ”, ch yêu c u o t c phân h y c a h t có liên quan. Trong c hai trư ng h p, c n ưa vào m t s d ki n lí thuy t ngo i suy các s o thành giá tr c a Vub, giá tr ư c xác nh n hi n nay là |Vub| = (4.09 ± 0.26) × 10–3. Như v y, chi u dài c nh bên trái c a tam giác là Ru = 0.381 ± 0.014. Vi c o c nh kia c a tam giác ơn nh t hi n th i còn nhi u vư ng m c. D ki n ch y u xác nh c nh này là nguyên t CKM Vtd, nó chi ph i t c chuy n hóa t m t quark top thành m t quark down. Hi n t i, năng lư ng trong các xư ng B v n còn quá th p có th t o ra nh ng quark top c c n ng. Hơn n a, m t s lư ng ít i quark top ư c t o ra trong các máy va ch m năng lư ng cao l i phân h y ch y u thành quark bottom. i u này khi n cho chúng ta không th quan sát ư c s phân h y hi m có c a chúng so v i các quark nh hơn, c trong thí nghi m hi n nay và thí nghi m xu t s p th c hi n. Bài toán tam giác v t ch t, 6/12
Tuy nhiên, v n không h n là b t c. Như ph n trư c ã nói n, các quark top o có th ư c t o ra trong s dao ng c a meson B, và hóa ra là t c c a các dao 0 0 ng B - B , ư c mô t b i thông s ∆md, l i b chi ph i b i Vtd. Th t là m t thách th c to l n cho các nhà lí thuy t trong vi c tính toán h ng s liên h Vtd v i ∆md, nhưng ngư i ta có th thu ư c chút thành qu n u xem xét các dao ng c a m t meson trung hòa khác g i là B0s (m t ph n quark bottom và m t quark strange), xác nh b i ∆ms. c bi t, v i kĩ thu t g i là s c ng l c h c lư ng t lư i, ngư i ta thu ư c h ng s liên h t s |Vtd|/|Vts| v i ∆md/∆ms. Vì giá tr c a ∆md và |Vts| là ã bi t, nên ch còn m t thông tin còn thi u là ∆ms. Hình 3. Thi t l p tam giác ơn nh t. Các nhóm nhà v t lí lí thuy t và th c nghi m qu c t như UTFit và CKMFitter ang t s o các góc và c nh c a tam giác ơn nh t xác nh xem tam giác này có th t s là m t tam giác hay không. Trong hình trên, l y t nhóm nghiên c u CKMFitter, các s o th c nghi m và sai s c a chúng ư c bi u di n b ng các d i trên m t ph ng ph c trong ó tam giác ơn nh t ư c d ng lên (màu en). N u các s o là thích h p thì m t s ch n l a nh tam giác s kh p v i m i ràng bu c còn l i, nói theo ngôn ng hình v thì các d i màu s ch ng lên nhau t i m t i m. S o chính xác góc sin2β t thi t b BaBar và Belle ư c bi u di n b ng m t hình nêm h p màu xanh dương, còn các s o kém chính xác hơn c a α và γ tương ng ư c bi u di n b ng hình lư i li m màu xanh dương và hình nêm màu sáng xanh lá cây. i v i các c nh c a tam giác, s ràng bu c chi u dài c nh bên trái t t c chuy n i quark up thành quark bottom ư c bi u di n b ng vòng tròn màu xanh lá cây, còn s ràng bu c v c nh bên ph i t các dao ng meson B ư c bi u di n b ng vòng tròn màu vàng (vòng tròn màu cam là s o các dao ng B0s t i Fermilab g n ây). Các s o trư c ó v s vi ph m i x ng CP t các kaon ư c bi u di n b ng hình hyperbol màu xanh lá cây. T t c các s o phù h p v i nh c a tam giác ơn nh t u n m trong d i Bài toán tam giác v t ch t, 7/12
nh màu . ây là m t thành công l n c a Mô hình Chu n trong vi c gi i thích s vi ph m i x ng CP. Vi c o ∆ms hơi khó vì các dao ng B0s - B 0 s r t nhanh. Tuy nhiên, h i năm ngoái, thí nghi m CDF t i Fermilab cho s o ∆ms chính xác m t cách khác thư ng là vào kho ng 2,75 THz (xem Physics World, s tháng 7/2006, trang 32 – 34). Vi c này cho phép ngư i ta xác nh chi u dài c a c nh còn l i c a tam giác là Rt = 0.904 ± 0.028. B ng cách t t t c các s o góc và c nh thu ư c trên m t bi u riêng, bây gi chúng ta có th xác nh xem chúng có phù h p v i m t góc riêng nào ó hay không (xem hình 3). Trong ch ng m c nh t nh, m i th tương h p v i m t tam giác có chi u cao 0.344 ± 0.016. Cu c tìm ki m quy lu t v t lí m i Các phép o chính xác c a tam giác ơn nh t là m t th ng l i c a các xư ng B và Mô hình Chu n, tuy nhiên, nó cũng khi n nhi u nhà v t lí c m th y th t v ng. Lí do là b t k nh ng thành công c a Mô hình Chu n, thì ây v n chưa ph i là m t câu chuy n tr n v n. Các s li u không gi i thích ư c tính không i x ng v t ch t – ph n v t ch t trong vũ tr , nó cũng không gi i thích ư c v t ch t t i và năng lư ng t i mà các nhà vũ tr v n cho r ng ó là thành ph n c u thành ch y u c a vũ tr , nó cũng không gi i thích ư c s h p d n. Ngư i ta có th nhi t thành hi v ng các k t qu t máy va ch m hadron l n LHC, s kh i ng vào cu i năm nay t i CERN, s cung c p b ng ch ng v t lí cho phía bên kia Mô hình Chu n. Các nhà v t lí không kiên nh n n a, và các phép o quark top có th mang t i manh m i trư c khi có LHC – ch ng h n, nh ng phép o chính xác hơn cho th y r ng các góc và c nh c a tam giác ơn nh t không tương h p chính xác v i nhau. M t mâu thu n trong tam giác ơn nh t có th th y b ng cách so sánh giá tr c a góc β xác nh t các phân h y B0 → J/ψ Ks v i s o cũng c a góc này trong nh ng phân h y khác, ch ng h n như phân h y trong ó m t quark bottom chuy n thành m t quark strange. Nh ng phân h y này x y ra thông qua “các vòng l p” h t o, trong ó quark bottom phân h y thành m t boson W o và m t quark lo i up, r i sau ó quark này l i tái k t h p hình thành m t quark strange. N u n ng hơn, các h t n nay chưa bi t có th ư c sinh ra m t cách mau chóng trong nh ng vòng l p này, nh hư ng n vi c o t c c a nh ng phân h y này. Các phép o g n ây t BaBar và Belle cho th y th c s có nh ng h t m i xu t hi n trong các vòng l p làm trung gian cho nh ng phân h y như th . Hi n t i, sai s th c nghi m quá l n khi n chúng ta chưa th kh ng nh ư c i u gì, nhưng ây là m t g i ý cho nh ng lí thuy t bên kia Mô hình Chu n, ch ng h n như lí thuy t siêu i x ng, m t lí thuy t có l ang chi ph i th gi i th c c a chúng ta. Trong khi các xư ng B c i ti n nh ng phép o c a h thì LHC s v nên m t b c tranh c n c nh hơn. Trong khi có kho ng m t tri u meson B ư c sinh ra m i ngày t i BaBar và Belle thì m i giây LHC t o ra s lư ng meson B nhi u hơn con s này nhi u l n. c bi t, thí nghi m LHCb, m t trong b n detector t xung quanh máy va ch m LHC, s cho phép ti n hành nh ng phép o chính xác hơn nhi u v các thông s , ch ng h n như góc γ, thông qua các nghiên c u t m v s d i dào c a các h t ch a quark bottom (xem Physics World, tháng 10/2006, trang 37 – 39). Tuy nhiên, do m i va ch m proton – proton t i LHC s sinh ra hàng trăm h t, trái ngư c hoàn toàn v i các va ch m electron – positron x y ra trong xư ng B ch sinh ra h t Bài toán tam giác v t ch t, 8/12
meson B và ph n meson, nên vi c nh n d ng lo i phân h y thích h p úng là m t thách th c l n. Bên c nh vi c sinh ra nhi u h t ch a quark bottom hơn, m t thu n l i cơ b n n a c a LHC là nó có th t o ra a d ng ch ng lo i các h t nhóm này, c bi t là meson B0s, m t h t không sinh ra trong các xư ng B. i u này s cho phép ti n hành nh ng phép o ∆ms chính xác hơn, và quan tr ng hơn là cho phép nh ng nghiên c u ban u v s vi ph m i x ng CP các meson B0s. Thí d , LHCb s nghiên c u phân h y B0s → J/ψ Φ, tương t v i phân h y B0 → J/ψ Ks trong các xư ng B. Không gi ng như phân h y B0, tính không i x ng trong phân h y này do Mô hình Chu n tiên oán khá nh . Do ó, n u ngư i ta quan sát th y m t lư ng áng k s vi ph m i x ng CP, thì i u ó s mang n m t cái nhìn sáng s a cho quy lu t v t lí m i. Dư ng như s quan sát quy lu t v t lí m i cũng là o n k t c a câu chuy n n n v t lí B và tam giác ơn nh t. Nhưng th c ra, m t khám phá như v y c n r t nhi u công sc xác nh tính ch t chi ti t c a các h t m i, và xác minh xem li u nh ng k t qu vi ph m i x ng CP có th thêm ư c gì hay không vào s h t h ng trong hi u bi t c a chúng ta v v t ch t th ng tr trong vũ tr . Vì lí do này, các nhà nghiên c u ang xu t m t “Xư ng Siêu Mùi” – m t máy va ch m electron – positron tương t như xư ng B hi n có, nhưng có t c va ch m ít nh t là l n hơn 100 l n. M t thí nghi m như v y cũng s cho phép chúng ta thi t l p chính xác tam giác ơn nh t - m c dù có th sau ó nó không th t s là m t tam giác n a – cũng như bư c u nghiên c u nh ng quá trình c bi t nh y v i nh ng tính ch t c a quy lu t v t lí m i, ví d như s phân h y c a lepton tau. V y, khi nào thì m t tam giác không ph i là m t tam giác ? Trong ch ng m c c a nh ng k t qu n tư ng thu ư c c a các nhà nghiên c u t i BaBar và Belle, chúng ta có th nói r ng bây gi chưa ph i lúc ! Nhưng chúng ta bi t r ng ph i có s vi ph m i x ng CP vư t ngoài kh năng gi i thích c a Mô hình Chu n, và chúng ta hi v ng các h t m i là nguyên nhân gây ra hi n tư ng này s s m ư c tìm th y t i LHC. i u này cũng g i ý r ng nh ng nghiên c u chính xác hơn s v ch ra m t ch h c a tam giác, m ra m t lĩnh v c nghiên c u phong phú m i tóm b t nh ng tính ch t c a n n v t lí m i. PH L C Ma tr n CKM và tam giác ơn nh t Mô hình Chu n c a v t lí h t cơ b n ch a 6 “mùi” c a quark: up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) và bottom (b) – chia thành ba dòng quark “lo i up” (u, c và t) có i n tích + 2/3 và quark “lo i down” (d, s và b) có i n tích – 1/3. Các quark có th chuy n mùi t lo i up sang lo i down, và ngư c l i, thông qua tương tác y u. Xác su t cho m i s chuy n i mùi này x y ra ư c mô t b ng m t ma tr n 3 x 3 v i các nguyên t s ph c, g i là ma tr n Cabibbo – Kabayashi – Maskawa (CKM), VCKM. Ví d , bình phương c a nguyên t Vud cho xác su t m t quark up chuy n thành m t quark down. Xác su t tương ng i v i các chuy n i ph n quark ư c cho b i liên h p ph c c a ma tr n này, V*CKM. Th c ra thì hai ma tr n này không ng nh t (vì chúng ch a các s ph c), và không gi i thích ư c hi n tư ng vi ph m i x ng CP, vì th các quark và ph n quark hành x hơi khác nhau. Bài toán tam giác v t ch t, 9/12
Vì các tương tác y u ph i b o toàn xác su t – nghĩa là m t quark lo i up ph i chuy n thành m t trong ba quark lo i down ch không th chuy n thành b t c h t nào khác – nên ma tr n CKM ph i “ ơn nh t”. V m t toán h c, m t ma tr n là ơn nh t khi nhân nó v i liên h p Hermitian V+CKM (hoán v c a liên h p ph c c a nó) thì k t qu thu ư c là m t ma tr n ơn v . Quan h này ưa n s phương trình liên h các nguyên t c a ma tr n CKM. M t s phương trình là k t qu c a s b o toàn xác su t m t cách tr c ti p – nghĩa là bình phương c a các nguyên t hàng ho c c t ph i c ng l i b ng m t – nhưng có m t s phương trình trong ó t ng c a ba s ph c b ng không, ch ng h n như V*ubVud + V*cbVcd + V*tbVtd = 0. Hình 4. Quan h ki u th hai trên có th miêu t b ng th trên “bi u Argand”, bi u có các tr c tương ng v i các s th c và s o. Trên bi u ki u như v y, m t s ph c ư c bi u di n b ng m t o n th ng, và t ng c a m t vài s ph c có th bi u di n b ng cách n i uôi nhau h t như khi c ng các vectơ. Trong các phương trình ơn nh t c a ma tr n CKM, t ng c a ba s ph c là b ng không, cho nên ba o n th ng n i uôi nhau t o thành m t tam giác g i là “tam giác ơn nh t”. Có c th y 6 tam giác ơn nh t – m i tam giác cho m t c p hàng ho c c t trong ma tr n CKM – và chi u cao c a m i tam giác tương ng v i lư ng vi ph m i x ng CP trong s chuy n i c a các quark có liên quan. Hình 5. a ph n các tam giác r t thon dài, tương ng v i k t qu vi ph m i x ng CP r t nh . Tuy nhiên, tam giác mô t s chuy n i quark top và down ư c d oán là có các c nh dài x p x b ng nhau. Vì t m quan tr ng c a tam giác này, nên nó thư ng ư c g i là tam giác ơn nh t “ ó”. Ngư i ta thư ng v tam giác ơn nh t có chi u dài m t c nh thu t l l i b ng ơn v và quay c nh này n m d c theo Bài toán tam giác v t ch t, 10/12
tr c th c. Chi u dài c a hai c nh kia và các góc tương ng v i s k t h p c a các nguyên t c a ma tr n CKM và ph i ư c xác nh b ng th c nghi m. BaBar và Belle M t tri u meson B ư c t o ra m i ngày trong các máy va ch m electron – positron t i SLAC Mĩ và KEK Nh t B n. Các s n ph m phân h y c a meson B ư c kh o sát b ng các detector h t kh ng l bao g m nhi u h th ng con như BaBar (hình 6) t i SLAC và Belle (hình 7) t i KEK. Hình 6. (Ngu n: Lawrence Berkeley National Lab) Hình 7. (Ngu n: KEK) Mu n xác nh v trí meson B phân h y, c n ph i o chính xác ư ng i c a các s n ph m phân h y, công vi c có th thu ư c b ng các detector silicon t càng g n i m va ch m càng t t. M t v n cũng quan tr ng là xác nh lo i h t ư c sinh ra trong các phân h y. C hai thí nghi m u s d ng kĩ thu t nh n d ng h t ki u m i, t n d ng “b c x Cerenkov” sinh ra m t h t tích i n truy n qua m t môi trư ng v i v n t c l n hơn v n t c truy n ánh sáng trong môi trư ng ó. Góc phát ra tia sáng này ph thu c vào kh i lư ng c a h t cho phép phân bi t, ch ng h n, pion v i kaon. Bài toán tam giác v t ch t, 11/12
Tam giác ơn nh t - Tam giác ơn nh t là m t bi u tr u tư ng bi u di n cách th c 6 quark ã bi t có th chuy n hóa thành quark khác thông qua l c y u. - Nó là m t b ph n thi t y u c a Mô hình Chu n c a v t lí h t cơ b n vì nó gi i thích s khác nhau tinh t gi a v t ch t và ph n v t ch t g i là vi ph m i x ng CP. - Mô hình Chu n tiên oán bi u này là m t tam giác hoàn ch nh, còn nhi u lí thuy t t ng quát hơn cho r ng không hoàn toàn như v y. - Các nhà nghiên c u t i các máy va ch m h t g i là xư ng B Mĩ và Nh t B n trong th i gian g n ây ã ti n hành nh ng phép o chính xác các góc và c nh c a tam giác ơn nh t. - M c dù nh ng phép o này phù h p v i bi u tam giác, nhưng các nhà v t lí v n ti p t c tìm ki m s sai l ch nh m hé m m t quy lu t v t lí m i. - Các c máy tương lai, như Máy Va ch m Hadron L n và Xư ng Siêu Mùi, s cho phép ti n hành nh ng phép o chính xác hơn nh m ki m tra các quy lu t v t lí vư t kh i Mô hình Chu n. hiepkhachquay (d ch t Physics World, tháng 4/2007) 13/4/2007, http://hiepkhachquay.3000mb.com Bài toán tam giác v t ch t, 12/12