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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 ...