Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu các hạt hyperon lạ (s, ss, sss) với rapidity 1.9 < y < 4.9 sinh ra trong va chạm pp năng lượng √ s ≥ 7 TeV trên thí nghiệm LHCb tại CERN

Chia sẻ: Acacia2510 _Acacia2510 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu các hyperon điển hình như Λ(s), Ξ −(ss), Ω −(sss) trong kênh phân rã chủ yếu của chúng. Mặc dù đây là các quá trình phân rã của ba hạt khác nhau, nhưng ở mức độ quark các kênh phân rã trên tương ứng với cùng một quá trình dịch chuyển quark s.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu các hạt hyperon lạ (s, ss, sss) với rapidity 1.9 < y < 4.9 sinh ra trong va chạm pp năng lượng √ s ≥ 7 TeV trên thí nghiệm LHCb tại CERN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ——————————————— NGUYỄN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU CÁC HẠT HYPERON LẠ (s, ss, sss) VỚI RAPIDITY 1.9 < y < 4.9 SINH RA TRONG VA CHẠM pp NĂNG √ LƯỢNG s ≥ 7 TeV TRÊN THÍ NGHIỆM LHCb TẠI CERN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 62 44 01 06 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2016
1 Mở đầu Theo quan niệm chính thống hiện nay, vũ trụ có nguồn gốc từ vụ nổ lớn (Big Bang). Tại thời điểm ban đầu vũ trụ tồn tại ở trạng thái Quark-Gluon-Plasma (QGP), sau đó các quark kết hợp với nhau (hadronization) tạo ra các hadron (proton, neutron, . . .), hình thành lên các hạt nhân nguyên tử đầu tiên. Mặc dù chúng ta không thể thực hiện Big Bang trong phòng thí nghiệm để kiểm tra lý thuyết chính thống, những vụ nổ như vậy ở quy mô rất nhỏ có thể được tạo ra bằng cách va chạm các hạt (ion, proton) tại năng lượng cao. Như vậy lý thuyết vũ trụ học (thế giới vĩ mô) lại có cơ sở thực nghiệm dựa trên vật lý hạt cơ bản (thế giới vi mô). Máy gia tốc LHC thực hiện va chạm proton-proton (pp) tại năng lượng cao cỡ TeV cho phép khảo sát QGP tương đương với thời điểm khoảng 10−12 s sau Big Bang. Do chưa hiểu biết đầy đủ quá trình tạo ra quark trong tương tác mạnh lẫn quá trình hadronization, các nhà vật lý đành phải phát triển các mô hình hiện tượng luận nhằm giải thích các quá trình trên. Tuy nhiên các mô hình trên cho các kết quả không hoàn toàn tương thích với nhau nên cần được kiểm chứng bằng các kết quả thực nghiệm. Để góp phần nhỏ bé vào việc thu các kết quả thực nghiệm phục vụ mục đích trên, chúng tôi đã chọn nội dung đề tài: Nghiên cứu các hạt hyperon lạ (s, ss, sss) với rapidity 1.9 < y < 4.9 √ sinh ra trong va chạm pp năng lượng s ≥ 7 TeV trên thí nghiệm LHCb tại CERN nhằm đóng góp một phần kết
2 quả thực nghiệm cho quá trình sinh ra các quark lạ bằng cách sử dụng số liệu ghi được trên thí nghiệm này. Các hyperon lạ được lựa chọn làm chủ đề nghiên cứu, bởi vì quark lạ s có khối lượng nhỏ nhất trong các quark nặng nên được sinh ra rất nhiều trong va chạm pp trên máy gia tốc LHC. Thêm vào đó, việc phân biệt quark s với năng lượng cao tương đối dễ dàng bởi vì chúng hoàn toàn mới được sinh ra, còn proton ban đầu chỉ chứa quark hoá trị u và d. So với các thí nghiệm trước đây như Tevatron và RICH, thí nghiệm LHCb thu nhận số liệu khi pp va chạm với nhau tại năng lượng cao hơn và luminosity lớn hơn (số liệu nhiều hơn, sai số thống kê giảm đi). Trong khi detector của hai thí nghiệm ATLAS và CMS là loại 4π cho phép ghi nhận tất cả các hạt bay ra sau va chạm, detector LHCb lại được chế tạo để tập trung đo các hạt được tạo ra ở phía trước với rapidity cao (2 - 4.9) nơi mà hai detector trên không thể đo được. Đây chính là ưu điểm đặc biệt của detector LHCb do sự sai lệch của các mô hình hiện tượng luận xảy ra chủ yếu ở vùng này. Mục đích của luận án Chúng tôi chỉ nghiên cứu các hyperon điển hình như Λ(s), Ξ−(ss), Ω−(sss) trong kênh phân rã chủ yếu của chúng. Mặc dù đây là các quá trình phân rã của ba hạt khác nhau, nhưng ở mức độ quark các kênh phân rã trên tương ứng với cùng một quá trình dịch chuyển quark s: s → u + W− - u+d + + Chúng tôi đo tỷ số phản hyperon/hyperon như Λ/Λ, Ξ /Ξ−, Ω /Ω−,
3 và đặc biệt là tỷ số Ω/Ξ tại vùng rapidity cao nhằm kiểm định kết quả của các mô hình lý thuyết. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các hạt hyperon Λ(s), Ξ−(ss), Ω−(sss) √ sinh ra trong va chạm pp tại hai mức năng lượng s = 7 và 8 TeV được ghi nhận bởi thí nghiệm LHCb. Trong quá trình làm luận án, nghiên cứu sinh đã và đang trực tiếp tham gia vận hành thiết bị, thu thập số liệu thực nghiệm chung cho toàn thí nghiệm. Sau đó, nghiên cứu sinh tách từ số liệu chung ra phần số liệu chứa các sự kiện hy- peron lạ nhằm phục vụ cho nghiên cứu riêng của mình. Để xác định các tiêu chuẩn lựa chọn sự kiện chứa hyperon lạ, ước tính hiệu suất của phương pháp phân tích, nghiên cứu sinh đã tham gia viết và sử dụng chương trình Monte Carlo của thí nghiệm LHCb với mục đích tạo ra các số liệu mô phỏng. Cả số liệu thật lẫn số liệu mô phỏng đều được phân tích bằng một chương trình chung cho phép xác định các tỷ số phản hyperon/hyperon và tỷ số hyperon(sss)/hyperon(ss) theo các đại lượng rapidity và PT . Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Các thí nghiệm tại FermiLab (CDF, D0) và tại RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, Brookhaven Nat. Lab.) cũng như tại LHC (AT- LAS, CMS, ALICE) đều tối ưu hoá detector của mình nhằm phục vụ mục đích nghiên cứu cụ thể nên chỉ có thể đo được các hạt tại vùng rapidity -2 < y < 2. Riêng detector LHCb được thiết kế đặc biệt để nghiên cứu các B hadron nên có thể đo được trong vùng rapidity cao 1.9 < y < 4.9, nơi mà các mô hình hiện tượng luận tiên
4 đoán kết quả mâu thuẫn với nhau. Chính vì vậy kết quả của nghiên cứu này sẽ có một ý nghĩa nhất định trong việc kiểm tra tính đúng đắn của các mô hình trên, đồng thời góp phần tăng sự hiểu biết của chúng ta về các hiện tượng tự nhiên. Hầu hết các nghiên cứu sinh của thí nghiệm LHCb tập trung theo hướng chủ yếu liên quan đến vi phạm đối xứng CP. Đề tài chúng tôi lựa chọn là hướng nghiên cứu độc đáo cho đến nay chưa có nghiên cứu sinh nào của LHCb tham gia. Cho đến hiện nay, vật lý hạt cơ bản thực nghiệm vẫn là một lĩnh vực mới mẻ đối với Việt Nam. Hiện nay, tại Việt Nam chỉ tồn tại nhóm nghiên cứu hạt cơ bản thực nghiệm duy nhất GPHE. Nhóm GPHE được hình thành vào năm 2006 tại Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội với sự giúp đỡ của Trường Bách khoa Liên bang Lausanne EPFL. Sau đó, số liệu Monte Carlo DC4 đã được chuyển về Hà Nội và được phân tích bằng hệ thống máy tính nhỏ của GPHE, trên đó cài đặt phần mềm của CERN và LHCb. Từ năm 2010, nhóm GPHE bắt đầu phân tích các số liệu thực nghiệm (đã chọn lọc) tại Hà Nội. Một số học viên cao học và nghiên cứu sinh đã được đào tạo trong nhóm nghiên cứu này. Bố cục của luận án: Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia thành 4 chương với nội dung như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về lý thuyết hạt cơ bản, về hyperon lạ và mục tiêu nghiên cứu các hyperon lạ. Chương 2: Trình bày thiết bị thực nghiệm về máy gia tốc LHC và detector LHCb.
5 Chương 3: Trình bày phương pháp xác lập các tiêu chuẩn lựa chọn các sự kiện chứa hyperon lạ Ξ và Ω phục vụ cho việc phân tích số liệu hàng loạt theo chương trình chung của thí nghiệm LHCb. Chương 4: Trình bày phương pháp phân tích lựa chọn hạt hyperon + + lạ Λ, Ξ và Ω. Các tỷ số Λ/Λ, Ξ /Ξ−, Ω /Ω− đặc biệt là tỷ số Ω/Ξ được xác lập và so sánh với các dự đoán của các mô hình hiện tượng luận. Chương 1: Tổng quan về hyperon lạ Theo mô hình chuẩn, vật chất được tạo thành từ 12 hạt cơ bản (6 quark và 6 lepton) và các phản hạt của chúng, các quark và lepton được ghép thành cặp. Các hạt trên tác dụng tương hỗ với nhau không ngừng thông qua 3 loại tương tác điển hình (điện từ, yếu, mạnh) tương ứng với các boson trung gian như photon γ , W ±, Z và gluon g . Lepton ((e, νe), (µ, νµ), (τ, ντ ) là các hạt cơ bản có spin 21 , chỉ tham gia tương tác điện từ và tương tác yếu. Quark (d, u),(s, c), (b, t) cũng có spin 12 tham gia chủ yếu tương tác mạnh. Trong khi các lepton tồn tại ở trạng thái tự do, quark chỉ xuất hiện trong trạng thái liên kết: meson, chứa một quark và một phản quark (qq ); baryon gồm ba quark (qqq ), thí dụ p ≡ uud. Các hyperon lạ (baryon chứa quark s) chỉ được sinh ra trên các máy gia tốc năng lượng cao. Để xác định khả năng tạo ra các hadron trong va chạm pp tại năng lượng cao, các nhà Vật lý đưa ra nhiều mô hình hiện tượng luận khác nhau. Trong khi các kết quả tiên đoán lý thuyết của các mô hình trên giống nhau ở vùng rapidity thấp thì chúng lại mâu thuẫn ở vùng rapidity cao 2.5 < y < 5.
6 Hình 1. Kết quả của các mô hình lý thuyết Mục tiêu của luận án này là nghiên cứu việc sinh ra các hyperon lạ (baryon chứa quark s) khi proton va chạm với nhau tại năng lượng 7 TeV và 8 TeV, tại vùng rapidity cao. Chúng tôi lựa chọn hyperon lạ bởi vì trước hết quark lạ có khối lượng nhỏ nên được sinh ra rất nhiều trong va chạm pp. Thêm vào đó, trong proton ban đầu không có hạt quark hóa trị lạ do đó các quark lạ năng lượng cao chỉ được sinh ra trong va chạm của các parton thành phần của proton tới. Các kết quả của luận án (tỷ số phản hyperon/ hyperon) sẽ cho phép kiểm chứng các lý thuyết hiện tượng nói trên. Chương 2: Thiết bị thực nghiệm Chương này của luận án sẽ tập trung giới thiệu về máy gia tốc LHC và thí nghiệm LHCb. Máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) là máy gia tốc hạt lớn nhất và có năng lượng cao nhất thế giới hiện nay. Máy được đặt trong một đường hầm với chu vi 27 km, nằm ở độ sâu 50 đến 175 m ở vùng giữa Pháp và Thụy sĩ. Hai chùm tia proton - proton được
7 √ gia tốc và va chạm tại năng lượng cực đại trong hệ khối tâm s = 14 TeV. Có 4 thí nghiệm chính trên máy gia tốc LHC là ATLAS, CMS, LHCb và ALICE. (a) (b) Hình 2. Máy gia tốc LHC và thí nghiệm LHCb Thí nghiệm LHCb là một trong 4 thí nghiệm lớn trên máy gia tốc LHC được đặt tại điểm tương tác số 8 tại Ferney ở Pháp. LHCb dài 20m, rộng 13m, cao 10m nặng 5600 tấn, đo được từ 10 đến 300 mrad theo phương thẳng đứng và 250 mrad theo phương nằm ngang trong giải độ nhanh (rapidity 1.9
8 detector Cherenkov RICH1 và RICH2 dùng để phân biệt các loại hạt hadron. Hai loại Calorimeter điện từ và hadron được sử dụng để đo năng lượng tương ứng của các hạt tương tác điện từ và tương tác mạnh. Sau cùng là hệ thống muon gồm 5 nhóm detector với tổng cộng 1380 buồng tỉ lệ nhiều dây. Các buồng tỉ lệ này (sử dụng để đo năng lượng muon) được đặt sau những bản che chắn bằng sắt (hấp thụ tất cả các hạt khác trừ muon). Thu nhận số liệu thực nghiệm Tương tự như phương pháp gạt nhiễu điện tử trong Vật lý Hạt nhân, sự kiện va chạm pp chỉ được chấp nhận khi tín hiệu thu được thỏa mãn điều kiện khởi phát (Trigger) của hệ thống điện tử LHCb. Mức Trigger L0 này làm giảm tốc độ các sự kiện từ 40 MHz xuống 1 MHz. Để làm giảm tốc độ các sự kiện xuống giá trị hợp lý, thí nghiệm LHCb còn sử dụng hệ thống khởi phát mức cao (High Level Trigger) dựa trên việc phân tích thông tin từ các detector (VELO và/hoặc các trạm T) bằng các phần mềm chuyên dụng. Các bước phân tích Từ các điểm va chạm của hạt với detector, vết của các hạt tích điện được tái xây dựng lại nhờ phần mềm BRUNEL. Hạt được nhận dạng và các thông số của sự kiện được ghi nhận thành file số liệu thô DST (Data ...). Các nhà Vật lý sử dụng phần mềm DAVINCI để phân tích số liệu offline nhằm chọn ra ứng cử viên của các hạt muốn nghiên cứu (Λ, Ξ, Ω trong bản luận án này). Phần mềm PANORAMIX cho phép hiện thị toàn bộ sự kiện hoặc chỉ những hạt nhà Vật lý quan tâm.
9 Hình 3. Sơ đồ cấu trúc của phần mềm LHCb Để xác định các tiêu chuẩn lựa chọn sự kiện chứa hyperon lạ, ước tính hiệu suất của phương pháp phân tích, các số liệu mô phỏng đã được sinh ra bằng chương trình Monte Carlo. Các hạt được sinh ra khi mô phỏng va chạm pp nhờ phần mềm GAUSS với PYTHIA và EVTGEN thực hiện phần tạo ra hạt và GEANT4 được sử dụng để mô phỏng các vết do các hạt đó để lại ở các detector con trong thí nghiệm LHCb. Các tín hiệu tương tự đó được số hoá nhờ phần mềm BOOLE rồi được chuyển sang phần mềm BRUNEL của chương trình phân tích chính thống nhằm tạo ra những file số liệu mô phỏng cùng định dạng DST với file số liệu thật. Từ đó trở đi, cả số liệu thật lẫn số liệu mô phỏng đều được phân tích bằng một chương trình chung cho phép xác định các đại lượng vật lý mong muốn. Chương 3: Tái xây dựng các hyperon lạ Hyperon lạ Mặc dù ba hyperon Λ, Ξ và Ω phân rã theo ba kênh khác nhau,
10 tuy nhiên ở cấp độ quark ba phân rã trên đều tương ứng với một quá trình s → W −u → udu như được thể hiện ra trên Hình 4. Hyperon lạ Λ, Ξ và Ω được sinh ra trong quá trình va chạm pp tại năng lượng cao không đo được trực tiếp trong thí nghiệm LHCb do thời gian sống ngắn, quãng bay không lớn. Vì vậy, cả ba hyperon trên được tái xây dựng thông qua các sản phẩm phân rã. Hình 4. Giản đồ Feymann của hạt Λ, Ξ− và Ω− theo kênh phân rã chính (bên trái) và các loại vết được tái xây dựng trong Detector LHCb (bên phải). Các hạt con đo được trực tiếp do chúng tạo nên các vết (L và D) trong detector của thí nghiệm LHCb. Vết dài (long track) được hình thành nên khi hạt bay qua toàn bộ detector vết từ VELO cho đến trạm T1-T3 cuối cùng. Vết ngắn (downstream track) sinh ra khi hạt chỉ bay qua từ TT đến trạm T1-T3. Nguyên tắc xác định tiêu chuẩn lựa chọn hyperon lạ Vì số liệu thực nghiệm quá lớn nên phải tổ chức phân tích một cách hợp lý. Trước hết, từ một phần sự kiện thô thu được người ta sử dụng một số các tiêu chuẩn đơn giản nhất để thu được các sự kiện có khả năng chứa Λ, Ξ− và Ω− với dung lượng nhỏ hơn (số
11 liệu minimum bias). Bởi vì chúng tôi nghiên cứu Ξ và Ω trong kênh phân rã chủ yếu chứa Λ nên bước tiếp theo, nghiên cứu sinh đề ra các tiêu chuẩn sơ bộ nhằm lựa chọn Λ kỹ hơn. Các sự kiện phải chứa hai vết proton và pion có chất lượng tốt không xuất phát từ điểm tương tác. Hai vết cùng xuất phát từ một vùng không gian hẹp và tạo nên khối lượng bất biến xung quanh giá trị khối lượng danh định của Λ. Λ vừa được tái xây dựng sẽ được kết hợp với π − (K −) để tạo thành Ξ− (Ω−) theo phương pháp tương tự. Các tiêu chuẩn lựa chọn Λ √ Trong năm 2011, với va chạm pp tại tại năng lượng s = 7 TeV, detector LHCb ghi nhận được số sự kiện tương ứng với 1.042 f b−1, 0.45 f b−1 (0.44 f b−1) với từ trường "DOWN" ("UP"). Số liệu thô trên được phân tích sơ bộ bởi phần mềm Reco12 Stripping17 để lựa chọn các sự kiện chứa Λ (số liệu minimum bias) với dung lượng chỉ còn 98 triệu sự kiện (cứ 100 sự kiện va chạm pp thì 1 sự kiện được lựa chọn). Từ số liệu minimum bias trên, chúng tôi đã viết chương trình để tái xây dựng, phân tích và tìm ra các tiêu chuẩn lựa chọn các hyperon lạ Λ được cho trong Bảng 1. Λ Decay LL DD χ2track /nDoF of (π − ,p) 4 χ2vtx (Λ) < 15 < 15 Lambda_FDCHI2_OWNPV > 150 > 100 min χ2IP wrt PV of (Λ) >1 >2 |MΛ − MΛP DG | < 50 MeV/c2 < 50 MeV/c2 Bảng 1. Tiêu chuẩn cắt sơ bộ của hạt Λ0 Do hạt Λ trung hoà về điện không để lại dấu vết trong detector
12 cho phép đo chúng trực tiếp, nên chúng tôi tái xây dựng hạt này theo kênh phân rã chính Λ0 → pπ −. Cả hai loại long track (L) và dowstream track (D) đều được sử dụng để tái xây dựng lại hyperon Λ: LL và DD. Các tiêu chuẩn lựa chọn Ξ và Ω LLL DDL DDD Λ Decay χ2track /nDoF of (π − ,p) < 4 < 4 < 4 min χ2IP wrt PV of (π − , p) > 20 > 4 > 4 χ2vtx (Λ) < 15 < 15 < 15 Lambda_FDCHI2_OWNPV > 150 > 100 > 100 min χ2IP wrt PV of (Λ) > 9 > 2 > 2 |MΛ − MΛP DG | < 6 MeV/c2 < 6MeV/c2 < 6MeV/c2 Ξ Decay χ2track /nDoF of (π) < 4 < 4 < 4 min χ2IP wrt PV of (π) > 10 > 3 > 4 χ2vtx (Ξ) < 25 < 25 < 25 Xi_FDCHI2_OWNPV > 30 > 15 > 5 −→ − → cos(PΛ , PΞ ) > 0.9996 > 0.9996 > 0.9996 |MΞ − MΞP DG | < 50 MeV/c2 < 50MeV/c2 < 50MeV/c2 Bảng 2. Tiêu chuẩn lựa chọn hạt Ξ cho việc thu gọn số liệu Để xác lập các tiêu chuẩn cắt sẽ được sử dụng để lựa chọn số liệu hiệu dụng cho hạt Ξ, Ω chúng ta cần dựa trên mô phỏng Monte Carlo. Số liệu MC10 được phân tích và phân bố của các hạt được dựng lại và hạt có TrueID được so sánh với nhau nhằm xác định các tiêu chuẩn cắt tối ưu. Các kết quả thu được cho Ξ và Ω được tóm tắt lần lượt trong các Bảng 2 và 3. Chúng tôi chỉ trình bày các cắt cơ bản được điều chỉnh để loại bỏ nhiễu mà thu lại được tín hiệu nhiều nhất. Các tiêu chuẩn lựa chọn cho Ξ và Ω về cơ bản giống
13 nhau bởi vì chúng ta khảo sát kênh phân rã tương tự như nhau (chỉ khác nhau bởi hạt π và hạt K). LLL DDL DDD Λ Decay χ2track /nDoF of (π − ,p) < 4 < 4 < 4 min χ2IP wrt PV of (π − , p) > 9 > 4 > 4 χ2vtx (Λ) < 15 < 15 < 15 Lambda_FDCHI2_OWNPV > 40 > 40 > 40 min χ2IP wrt PV of (Λ) > 1 > 1 > 1 |MΛ − MΛP DG | < 6 MeV/c2 < 6MeV/c2 < 6MeV/c2 Ω Decay χ2track /nDoF of (K) < 4 < 4 < 4 min χ2IP wrt PV of (K) > 4 > 4 > 4 χ2vtx (Ω) < 20 < 25 < 25 Omega_FDCHI2_OWNPV > 4 > 5 > 5 −→ − → cos(PΛ , PΩ ) > 0.9996 > 0.9996 > 0.9996 |MΩ − MΩP DG | < 50 MeV/c2 < 50MeV/c2 < 50MeV/c2 Bảng 3. Tiêu chuẩn lựa chọn hạt Ω cho việc thu gọn số liệu Để thu được hạt Ξ (Ω) tốt, chúng tôi cần các hạt bachelor pion (kaon) phải có χ2/nDoF < 4. Bachelor pion (kaon) liên kết với hạt con Λ được xây dựng lại sẽ được chấp nhận khi xây dựng lên hạt Ξ thỏa mãn điều kiện χ2vtx < 25. Cuối cùng, các hạt Ξ (Ω) được chấp nhận trong trường hợp khối lượng tính lại của chúng nằm trong cửa sổ ± 50 MeV/c2 quanh giá trị danh định của chúng. Áp dụng phân tích toàn bộ số liệu thật Các tiêu chuẩn cắt cho Ξ và Ω được trình bày ở trên được sử dụng trong chương trình phân tích tổng thể của LHCb để lựa chọn số liệu hiệu dụng cho các kênh phân tích khác nhau trong đó có kênh Ξ và Ω mà chúng tôi quan tâm. Khoảng 9.21 triệu (28.56 triệu) sự kiện
14 chứa Ξ và 4.47 triệu (16 triệu) sự kiện chứa Ω thu được sau khi rút gọn số liệu 7 TeV (8 TeV). Sử dụng phần mềm DaVinci, nghiên cứu sinh phân tích hơn 56.24 triệu sự kiện trên và thu được 74 nghìn Ξ và 9.2 nghìn Ω. Chương 4: Kết quả thực nghiệm (s, ss, sss) Tái xây dựng Hyperon lạ Sau khi phân tích khoảng 98 triệu sự kiện minbias được ghi nhận √ trên LHCb năm 2011 tại năng lượng s = 7 TeV với luminosity 1.0 f b−1 đã được phân tích, chúng tôi thu được khoảng 6 ×105 hạt Λ có phân bố khối lượng được chỉ ra trên Hình 5 với độ phân giải σΛ = 2.3091± 0028 MeV/c2. 3 3 3 ×10 ×10 ×10 Events Events Events 90 9 Total Total Total 1.2 80 LL 8 LLL LLL DD 70 7 DDL DDL 1 DDD DDD 60 6 0.8 50 5 40 4 0.6 30 3 0.4 20 2 10 1 0.2 3 3 3 0 ×10 0 ×10 ×10 1.105 1.11 1.115 1.12 1.125 1.13 1.3 1.305 1.31 1.315 1.32 1.325 1.33 1.335 1.34 1.345 1.655 1.66 1.665 1.67 1.675 1.68 1.685 1.69 2 2 2 MΛ [MeV/c ] MΞ [MeV/c ] MΩ [MeV/c ] (a) (b) (c) 3 3 3 ×10 ×10 ×10 Events Events Events 60 9 3 8 50 2.5 7 40 6 2 5 30 1.5 4 20 3 1 2 10 0.5 1 0 0 0 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Rapidity Rapidity Rapidity (d) (e) (f) Hình 5. Phân bố khối lượng của hyperon lạ Λ, Ξ, Ω và phân bố theo rapidity tương ứng của chúng
15 Hyperon Ξ− có chứa hai quark ss nên chúng được sinh ra ít hơn rất nhiều hyperon Λ trong va chạm pp. Trong mục này, chúng tôi trình bày kết quả thu được sau khi đã phân tích 37.77 ×106 sự kiện (rút gọn sau cùng) tương ứng với luminositiy 3 f b−1. Năm triệu sự kiện √ Monte Carlo với năng lượng s = 7 TeV được tạo ra để đánh giá hiệu suất tái xây dựng và lựa chọn. Hyperon Số sự kiện Rút gọn sau cùng Số hạt ứng cử Luminosity Ghi chú Λ 98 ×106 mb x 0.6 ×106 1 f b−1 7 TeV Ξ 183 ×109 pp 37.77 ×106 7.45 ×104 3 f b−1 7 + 8 TeV Ω 183 ×109 pp 20.47 ×106 9.23 ×103 3 f b−1 7 + 8 TeV Bảng 4. Số hạt Hyperon lạ được tái xây dựng Kết quả tương ứng cho Ω được thể hiện trên Bảng 4. Số hạt Ω ít hơn nhiều so với số hạt Ξ do xác suất để ba quark s gặp nhau nhỏ hơn nhiều so với trường hợp hai quark s. Tỷ số Λ/Λ Sử dụng mô hình khối lượng chúng tôi sẽ đánh giá được tỷ số hạt thật trên phông nền, điều này cho phép xác định được số lượng hạt thật được tái xây dựng (nΛr ). Lúc này chúng ta có thể xác định tỷ số RΛ/Λr thô. Sau khi chia kết quả thu được cho acceptance (hiệu suất tái xây dựng) chúng tôi thu được số lượng Λ (Λ) sinh ra trong va chạm proton proton nΛc(nΛc) rồi tính tỷ số của chúng. n [Λ → pπ +]r n [Λ → pπ +]c RΛ/Λr = RΛ/Λc = (1) n [Λ → pπ −]r n [Λ → pπ −]c Có ba nguyên nhân chính dẫn đến sai số hệ thống trên tỷ số Λ/Λ: độ bất định sinh ra khi sử dụng các mô hình Monte Carlo khác nhau;
16 The Λ / Λ ratio The Λ / Λ ratio 1 1 Λ/ Λ Λ/ Λ 0.95 0.95 0.9 0.9 0.85 0.85 0.8 0.8 0.75 0.75 0.7 0.7 0.65 LHCb s = 7 TeV 0.65 LHCb s = 7 TeV Λ/ Λ raw Λ/ Λ raw Λ/ Λ corrected Λ/ Λ corrected 0.6 0.6 0.55 0.55 0.5 0.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Rapidity Transverse Momentum [GeV/c] (a) (b) Hình 6. Tỷ số Λ/Λ theo rapidity (bên trái) và theo hàm PT (bên phải). detector hoạt động không hoàn hảo và sai lệch gây bởi phương pháp phân tích. Sai số hệ thống do Monte Carlo (tính đến cả va chạm nhiễu xạ diffractive) được ước tính khoảng độ 2 %. Phân tích chi tiết cho thấy sai số hệ thống (liên quan đến đặc tính của detector) gây bởi hiệu suất xác định đỉnh sơ cấp cho tỷ số Λ/Λ < 2 %. Phương pháp phân tích cũng đóng góp sai số hệ thống vào kết quả cuối cùng, khoảng 1 % chỉ riêng với việc làm khớp đỉnh phổ khối lượng. Dựa trên tất cả các sai số có thể ước tính sai số hệ thống tổng cộng cho tỷ số Λ/Λ là từ 2 - 6 %. + Tỷ số Ξ /Ξ− Với lập luận đã được sử dụng trong phần trình bày về Λ chúng ta + cũng hy vọng rằng tỷ số Ξ /Ξ− sẽ giảm theo rapidity do anti-quark + d (thành phần của Ξ ) hoá trị không tồn tại trong proton tham gia va chạm. Trong va chạm pp tại năng lượng cao, tồn tại ba khả năng tạo thành Λ với rapidity lớn, trong khi đó đối với Ξ− chỉ có một khả + năng. Vì thế tỷ số Ξ /Ξ− tại vùng năng lượng cao vẫn nhỏ hơn 1 nhưng sẽ có giá trị cao hơn tỷ số Λ/Λ.
17 + - + - The Ξ / Ξ ratio The Ξ / Ξ ratio - - Ξ /Ξ Ξ /Ξ 1.4 + + 1.2 1.2 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 LHCb s = 7 TeV LHCb s = 7 TeV + - + - Ξ / Ξ raw Ξ / Ξ raw + - + - 0.4 Ξ / Ξ corrected 0.4 Ξ / Ξ corrected 0.2 0.2 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Rapidity Transverse Momentum [GeV/c] (a) (b) + - + - The Ξ / Ξ ratio The Ξ / Ξ ratio - - Ξ /Ξ Ξ /Ξ 1.4 + + 1.2 1.2 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 LHCb s = 8 TeV LHCb s = 8 TeV + - + - Ξ / Ξ raw Ξ / Ξ raw + - + - 0.4 Ξ / Ξ corrected 0.4 Ξ / Ξ corrected 0.2 0.2 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Rapidity Transverse Momentum [GeV/c] (c) (d) + 7. Tỷ số Ξ /Ξ− theo hàm rapidity (bên Hình √ √ trên) và theo hàm PT (bên dưới) tại năng lượng s = 7 TeV (bên trái) và năng lượng s = 8 TeV (bên phải). + Kết quả tỷ số Ξ /Ξ− thu được khi phân tích 1.0 fb−1 (2.0 fb−1) số √ liệu thật của LHCb tại năng lượng s = 7 TeV (8 TeV) như là hàm số của rapidity và PT được biểu diễn trên Hình 7. Kết quả thu được cho thấy trong phạm vi sai số tỷ số trên không khác một với trường + hợp Ξ. Tỷ số Ξ /Ξ− không hoàn toàn nhỏ hơn một và giảm theo rapidity như chúng tôi mong muốn. Với số liệu thu được tại năng + lượng 7 TeV, trong vùng rapidity y > 3.5 tỷ số Ξ /Ξ− dường như lớn hơn cao hơn tỷ số Λ/Λ phù hợp với lập luận chúng tôi trình bày ở phần trên. Chúng tôi đánh giá sai số hệ thống tổng cộng của Ξ vào khoảng 6 %.
18 + Tỷ số Ω /Ω− + Tỷ số Ω /Ω− sẽ không thay đổi theo y do quark tàn dư không đóng vai trò gì trong việc sinh ra hyperon Ω. Trên nguyên tắc, số lượng + + Ω và Ω− phải như nhau nên tỷ số Ω /Ω− phải bằng đơn vị, không phụ thuộc vào biến số động học. Trên thực tế, việc sử dụng tiêu chuẩn trên cũng gặp khó khăn do số lượng Ω sinh ra ít hơn nhiều so với số lượng Ξ và Λ. + - + - The Ω / Ω ratio The Ω / Ω ratio 1.2 - - Ω /Ω Ω /Ω 1.2 + + 1.1 1 1 0.9 0.8 0.8 0.7 0.6 0.6 LHCb s = 7 TeV 0.5 LHCb s = 7 TeV + - + - Ω / Ω raw Ω / Ω raw + - + - Ω / Ω corrected Ω / Ω corrected 0.4 0.4 0.3 0.2 0.2 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Rapidity Transverse Momentum [GeV/c] (a) (b) + - + - The Ω / Ω ratio The Ω / Ω ratio 1.2 - - Ω /Ω Ω /Ω 1.2 + + 1.1 1 1 0.9 0.8 0.8 0.7 0.6 0.6 LHCb s = 8 TeV 0.5 LHCb s = 8 TeV + - + - Ω / Ω raw Ω / Ω raw + - + - 0.4 Ω / Ω corrected 0.4 Ω / Ω corrected 0.3 0.2 0.2 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Rapidity Transverse Momentum [GeV/c] (c) (d) + √ Hình 8. Tỷ số Ω √/Ω− theo hàm rapidity và theo hàm PT tại năng lượng khối tâm s=7 TeV (bên trái) và s = 8 TeV (bên phải). + Trên Hình 8 thể hiện kết quả tỷ số Ω /Ω− thu được khi phân tích √ 1.0 fb−1 (2.0 fb−1) số liệu thật của LHCb tại năng lượng s = 7 TeV (8 TeV) như là hàm số của rapidity và PT . Do số lượng hạt