Nghiên cứu quá trình phân rã beta đôi và ứng dụng để khảo sát quá trình phân rã của fermion trong mô hình neutrino thuận thang điện yếu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày quá trình phân rã beta đôi; Sự tạo thành và phân rã của neutrino thuận thang điện yếu. Kết quả nghiên cứu về quá trình phân rã beta đôi cùng sự tạo thành và phân rã của neutrino thuận thang điện yếu đã thực hiện được mục tiêu đặt ra của bài báo cáo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu quá trình phân rã beta đôi và ứng dụng để khảo sát quá trình phân rã của fermion trong mô hình neutrino thuận thang điện yếu

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐÔI VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ CỦA FERMION TRONG MÔ HÌNH NEUTRINO THUẬN THANG ĐIỆN YẾU LÊ THỊ QUẾ PHẠM THỊ HẠNH - PHAN THỊ HƯƠNG THẢO Khoa Vật ký 1. GIỚI THIỆU Lĩnh vực vật lý hạt cơ bản và vật lý năng lượng cao đã được các nhà khoa học trong nước nghiên cứu từ những năm cuối của thế kỷ XIX. Tại Viện Vật lý, Trung tâm Vật lý hạt nhân và phòng thí nghiệm Tia vũ trụ của Trung tâm Vật lý kỹ thuật đã nghiên cứu tương tác giữa các hạt từ tia vũ trụ, các hạt được tạo ra trong máy gia tốc, phạm vi nghiên cứu chủ yếu là tương tác mạnh. Ở Việt Nam, thực sự chưa có bức tranh lý thuyết hệ thống và cụ thể nào để có thể giải thích một cách rõ ràng và khoa học nguồn gốc và đặc điểm của khối luợng neutrino. Việc mở rộng mô hình chuẩn để tạo khối luợng cho neutrino hiện nay đang được các nhà vật lý trên thế giới quan tâm. Có hai cách để mở rộng mô hình chuẩn: + Cách thứ nhất: đưa ra giả thiết có hơn ba thế hệ neutrino, các neutrino của thế hệ mới được gọi là neutrino sterile. + Cách thứ hai: dựa vào các đặc trưng vật lý của neutrino để xem xét nó là hạt Dirac hay là hạt Majorana. Trong hướng thứ nhất, Lee và Yang đã đưa ra mô hình gương cho neutrino sterile [11], trong đó sự có mặt của các hạt gương làm khối lượng của neutrino bé. Một vài mô hình cho các hạt neutrino sterile ra đời trong những năm tiếp theo. Cụ thể là các mô hình dây [12], mô hình E6 [13], mô hình của R. N. Mohapatra [14]. Trong hướng thứ hai, từ năm 1998 các nhà vật lý A. Hamed tại truờng Đại học Stanford, G. Dvali tại trung tâm Vật lý lý thuyết của Trieste và J. M. Russell ở CERN đã đưa ra mô hình xem neutrino là hạt Dirac và sử dụng lý thuyết dây để giải thích sự tham gia tương tác yếu của neutrino thuận. Năm 2000, tại Nhật Bản, nhóm nghiên cứu H. Murayama dùng cơ chế Higgs để tạo khối lượng cho neutrino trong đó cường độ tương tác của neutrino với hạt Higgs bé hơn 10–12 lần so với hạt quark t. Năm 2006 tại Mỹ, H. Davoudiasl cùng đồng nghiệp đưa ra mô hình tạo khối luợng cho hạt neutrino Majorana có khối luợng vào cỡ TeV từ điều kiện QCD [15] sử dụng các toán tử thứ nguyên. Năm 2007, P. Q. Hung [8], [9], [10] đã đưa ra mô hình neutrino thuận thang điện yếu. Trong mô hình này neutrino thuận được đặt trong lưỡng tuyến SU(2)L chứa lepton mang điện thuận hay còn gọi là lepton mang Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2013-2014 Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế, tháng 12/2013, tr: 67-74
68 LÊ THỊ QUẾ và cs. điện gương. Vì khối lượng của nó nằm trong thang điện yếu và là hạt Majorana nên nó có thể được tìm thấy trong máy gia tốc với tín hiệu đặc trưng là quá trình phân rã beta đôi. 2. QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐÔI Chúng tôi nghiên cứu sự phân rã beta đôi cho thấy sự khác biệt trực tiếp giữa Dirac neutrino và Majorana neutrino. Có hai phương thức phân rã beta đôi: + Phương thức 2 neutrino + Phương thức không có neutrino : phương thức xảy ra với Majorana neutrino. : phương thức xảy ra cho cả Dirac neutrino và Majorana neutrino Chúng tôi phân tích quá trình chuyển tiếp hạt nhân cho hai mô hình này trong hai cơ chế: + Một là cơ chế 2 neutrino (2n) nơi chuyển tiếp của hai neutrino (n1 và n1) kích hoạt phân rã beta đôi. + Hai là cơ chế N* nơi mà phân rã beta đôi xảy ra thông qua quá trình chuyển đổi * của hạt nhân liên quan đến Sự phân rã beta đôi cung cấp một trong những công cụ tốt nhất để xác định xem neutrino là hạt Dirac hay hạt Majorana. Chính xác hơn phân rã beta đôi không có hạt neutrino (phương thức ) liên quan đến liên quan đến sự thay đổi của tổng số lepton và chỉ xảy ra nếu là neutrino Majorana. Trong khi phân rã beta đôi hai neutrino (phương thức ) xảy ra độc lập với bản chất của chúng. 2.1. Phân rã beta đôi không neutrino Trong phân rã này, chúng ta đi tìm hiểu về hai cơ chế chủ yếu: cơ chế 2n và cơ chế N* Trong cơ chế 2n, phân rã beta đôi xảy ra thông qua quá trình chuyển đổi của 2 neutrino trong đến 2 proton trong được biểu diễn trong hình 1 sau. Hình 1. Phân rã beta đôi không neutrino trong cơ chế 2n, trong đó NA , NB , Nn là hạt nhân mẹ, hạt nhân con và hạt nhân trung gian
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐÔI VÀ ỨNG DỤNG... 69 Mặt khác, chúng ta có 2 quá trình có thể trong cơ chế đó là (i) Sự tương tác mạnh đầu tiên tạo ra trạng thái của hạt nhân bao gồm sau đó khiến cho sự phân rã yếu như hình 2 sau: Hình 2. Phân rã beta đôi không neutrino trong cơ chế N*, trong đó là những trạng thái hạt nhân trung gian (ii) Các hạt nhân mẹ làm phân rã yếu đến các trạng thái của hạt nhân nó được chuyển đổi thành hạt nhân con trong hình 3 sau: Hình 3. Phân rã beta đôi không neutrino trong cơ chế N*, trong đó là những trạng thái hạt nhân trung gian Cơ chế phân rã beta đôi không neutrino chỉ xảy ra khi λ 0 cho dù neutrino có khối lượng hay không có khối lượng, tuy nhiên giới hạn thu được trong cơ chế N* dường như là vô nghĩa bởi vì không có sự đóng góp từ dạng mυ- trong cơ chế N* áp dụng trong bài này. Tuy nhiên, trong một thực nghiệm mới gọi là Gerda, các nhà nghiên cứu đã gián tiếp tìm hiểu được xác suất xảy ra của phân ra beta đôi không neutrino. Gerda đặt trong phòng thí nghiệm quốc gia INFN Gran Sasso ở Ý, tái tạo thí nghiệm trước năm 2004 nhưng với cải tiến tốt hơn. Các nhà nghiên cứu đã gián tiếp phát hiện neutrino phát ra từ phân rã beta đôi của Germani-76 bằng cách đo phổ năng lượng của các điện tử phát ra. Phân rã không neutrino sẽ gây ra một đỉnh cao trong số các sự kiện ở năng lượng electron tối đa. Nhưng trong sự hợp tác Gerda không tìm ra được đỉnh cáo trong dự liệu của họ, điều này chỉ ra tỉ lệ của phân rã beta đôi không neutrino (nếu có thể xảy ra) nhỏ hơn 10-4 lần phân rã beta đôi bình thường. 2.2. Phân rã beta đôi hai neutrino i) Sự chuyển đổi 0+! 0+
70 LÊ THỊ QUẾ và cs. Sau những tính toán đơn giản ta thu được Để biểu diễn tích phân pha không gian chúng ta bỏ qua khối lượng neutrino và giả sử những sự thay thế sau (trong phạm vi % sai số không đáng kể) Cho nên Tỉ lệ phân rã là Primakoff và Rosen đã xác định phương trình ii) Sự chuyển đổi 0+! 2+ Với sự dịch chuyển này, chúng ta có: Qua một số bước tính, ta thu được phương trình : Tỉ lệ phân rã được đưa ra bởi
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐÔI VÀ ỨNG DỤNG... 71 ii) Sự chuyển đổi 0+ ! 1+ : Tương tự, chúng ta thu được 3. SỰ TẠO THÀNH VÀ PHÂN RÃ CỦA NEUTRINO THUẬN THANG ĐIỆN YẾU Vì neutrino mà ta nghiên cứu là các neutrino Majorana thang điện yếu, nên chúng có thể xuất hiện trong các quá trình vi phạm số lepton tại các giá trị năng lượng thang điện yếu. Cụ thể, ta có thể sản xuất ra và quan sát các quá trình phân rã của chúng tại các máy gia tốc (LHC…). Tín hiệu đặc trưng sẽ là sự kiện hai lepton cùng dấu tương tự như quá trình phân rã beta đôi của neutrino. Trong mô hình này do là các lưỡng tuyến , nên chúng tương tác với các boson Z và W. Khối lượng của neutrino nằm trong giới hạn , nên rõ ràng nó có thể được tạo ra trong các máy gia tốc. Không giống trường hợp neutrino đơn tuyến nhẹ trong mô hình chuẩn, neutrino thang điện thuận trong mô hình của ta liên kết trực tiếp với boson Z và sản sinh ra cặp hạt . Ta có Vì là các hạt Majorana nên chúng có thể phân rã theo quá trình . Hạt nặng hơn có khả năng phân rã thành các nhẹ hơn, cụ thể , Trong đó là phần năng lượng mất đi. Các thế hệ hạt lepton được ký hiệu bởi chỉ số i, i = 1,2,3. Sản phẩm phân rã phụ thuộc và khối lượng của Khối lượng của lớn hơn khối lượng của Trong trường hợp này, sản phẩm phân rã như sau:
72 LÊ THỊ QUẾ và cs. trong đó, W là hạt thực nếu và là hạt ảo trong trường hợp ngược lại. W là hạt thực Giản đồ Feynman của quá trình phân rã Hình 4. Quá trình phân rã W* là hạt ảo Giản đồ Feynman của quá trình phân rã Hình 5. Quá trình phân rã Khối lượng của bé hơn khối lượng của Quá trình phân rã: (hình 6 và hình 7) hoặc (hình 8). Giản đồ Feynman của các quá trình phân rã: Hình 6. Quá trình phân rã Hình 7. Quá trình phân rã
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ BETA ĐÔI VÀ ỨNG DỤNG... 73 Hình 8. Quá trình phân rã Khối lượng của bé hơn mọi lepton mang điện Trong trường hợp khối lượng bé hơn mọi lepton mang điện, sản phẩm phân rã như sau Giản đồ Feynman của quá trình phân rã Hình 9. Quá trình phân rã 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu về quá trình phân rã beta đôi cùng sự tạo thành và phân rã của neutrino thuận thang điện yếu đã thực hiện được mục tiêu đặt ra của bài báo cáo. Trong quá trình nghiên cứu làm đề tài nghiên cứu khoa học, chúng tôi đã thu được một số hiểu biết của bản thân về lĩnh vực vật lý hạt. Những kết quả chính của đề tài nghiên cứu khoa học có thể tóm tắt như sau: Chúng tôi đã nghiên cứu về 2 tính chất của quá trình phân rã beta đôi: phân rã 0 neutrino và phân rã 2 neutrino. Từ đó, chúng tôi đã nghiên cứu được xác suất phân rã beta đôi 0 neutrino rất bé so với phân rã 2 neutrino và quá trình phân rã beta đôi có nhiều đặc điểm tương tự như mô hình neutrino thuận thang điện yếu. Theo đó, chúng tôi đã nhận thấy rằng khối lượng của neutrino thuận nằm trong thang điện yếu và là hạt Majorana nên nó có thể được tìm thấy thông qua tín hiệu là quá trình phân rã beta đôi.Từ đó dấu hiệu nhận biết các hạt trong mô hình neutrino thuận thang điện yếu tương tự như trường hợp phân rã beta đôi, trong đó có sự vi phạm số hạt lepton. TÀI LIỆU THAM KHẢO
74 LÊ THỊ QUẾ và cs. [1] Hoàng Ngọc Long (2006). Cơ sở vật lý hạt cơ bản, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. [2] Nguyễn Như Lê (2008). Sự tạo thành và phân rã lepton điện gương và neutrino thuận thang điện yếu, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế. [3] Feynman R. and Gell-Man M. (1958). Phys. Rev 109, 193. [4] Griffiths D. (1987). Introduce to Elemantary Particles, Wiley. [5] Hung P. Q., Phys. Lett. B 659 585-592 (2008). [6] Hung P. Q., Phys. Lett. B 649, 275 (2007). [7] Hung P. Q., [arXiv:hep-ph/0706.2753]. [8] Hung P. Q., Phys. Rev. D 67, 095011 (2003). [9] H.V. Klapdor - Kleingrothaus (1999). Sixty Years Of Double Beta Decay, World Scientific. [10] Jennifer A Thomas – Patricia L Vahle (2008). Neutrino Oscillations, World Scientific. [11] M. Agostini et al., Phys. Rev. Lett. 111,122503 (2013). LÊ THỊ QUẾ PHAN THỊ HƯƠNG THẢO PHẠM THỊ HẠNH SV lớp VLTT 4, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế ĐT: 0166 893 0163, Email: quedhsp@gmail.com