Luận văn: Tìm vị trí góc trộn Lepton θ23 bằng thí nghiệm Hyper-Kamiokande

Khám phá góc trộn Lepton θ23 qua nghiên cứu Hyper-Kamiokande. Tìm hiểu sâu hơn về dao động neutrino và vai trò của thí nghiệm đột phá này.

• Tác giả: Phan Tố Quyên
• Người hướng dẫn: TS. Cao Văn Sơn
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán
• Đề tài: Tìm vị trí góc bát phân của góc trộn lepton θ_23 với thí nghiệm Hyper-Kamiokande và ảnh hưởng của nó đến phép đo vi phạm đối xứng CP
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Góc trộn Lepton θ23 là gì Khám phá bí ẩn vật lý neutrino

Góc trộn Lepton θ23, còn được gọi là góc trộn khí quyển, là một tham số cơ bản trong ma trận PMNS (Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata). Ma trận này mô tả cách các trạng thái vị của neutrino (electron, muon, tau) trộn lẫn với các trạng thái khối lượng riêng của chúng. Hiểu rõ về góc trộn Lepton θ23 là chìa khóa để giải mã hiện tượng dao động neutrino, một quá trình cơ học lượng tử trong đó một neutrino có thể thay đổi "vị" của nó khi di chuyển trong không gian. Hiện tượng này là bằng chứng thực nghiệm mạnh mẽ nhất cho thấy neutrino có khối lượng, một khám phá nằm ngoài Mô hình Chuẩn của vật lý hạt cơ bản. Giá trị của θ23 chủ yếu chi phối sự chuyển đổi giữa muon neutrino (νµ) và tau neutrino (ντ). Các dữ liệu thực nghiệm từ những thí nghiệm đi trước như Super-Kamiokande và thí nghiệm T2K đã chỉ ra rằng giá trị của θ23 là lớn, gần với 45 độ (π/4), ngụ ý một sự trộn lẫn gần như tối đa giữa hai thế hệ lepton thứ hai và thứ ba. Việc xác định chính xác giá trị của góc trộn Lepton θ23 không chỉ giúp hoàn thiện bức tranh vật lý neutrino mà còn có ảnh hưởng sâu sắc đến các phép đo quan trọng khác, chẳng hạn như việc tìm kiếm vi phạm CP trong lepton thông qua pha δCP. Các thí nghiệm thế hệ mới, đặc biệt là thí nghiệm Hyper-Kamiokande, được thiết kế với độ nhạy thực nghiệm vượt trội để đo lường tham số này với độ chính xác chưa từng có, hứa hẹn mở ra những hiểu biết mới về các quy luật đối xứng cơ bản trong vũ trụ.

1.1. Vai trò của góc trộn neutrino trong ma trận PMNS

Trong khuôn khổ mô hình dao động ba neutrino, mối liên hệ giữa các trạng thái vị (νe, νµ, ντ) và các trạng thái khối lượng (ν1, ν2, ν3) được mô tả bởi ma trận PMNS. Ma trận này được tham số hóa bởi ba góc trộn (θ12, θ13, θ23) và một pha phức gây vi phạm CP trong lepton là pha δCP. Trong đó, góc trộn Lepton θ23 đóng vai trò quyết định trong việc xác định biên độ của dao động giữa muon neutrino và tau neutrino. Cụ thể, xác suất biến mất của muon neutrino P(νµ → νµ) xấp xỉ tỉ lệ với sin²(2θ23). Một giá trị θ23 gần bằng π/4 cho thấy sự đối xứng tiềm ẩn giữa thế hệ lepton thứ hai và thứ ba, một chủ đề hấp dẫn trong vật lý ngoài Mô hình Chuẩn.

1.2. Hiện tượng dao động neutrino và tầm quan trọng của θ23

Hiện tượng dao động neutrino là nền tảng cho toàn bộ ngành vật lý neutrino hiện đại. Nó chứng minh rằng neutrino có khối lượng và các trạng thái vị không phải là các trạng thái năng lượng xác định. Tham số góc trộn Lepton θ23 là yếu tố chính điều khiển kênh dao động khí quyển, nơi các neutrino được tạo ra từ tương tác của tia vũ trụ với khí quyển Trái Đất. Các phép đo chính xác đầu tiên về θ23 đến từ thí nghiệm Super-Kamiokande, cho thấy một góc trộn lớn không giống như các góc trộn nhỏ trong ma trận CKM của quark. Độ chính xác của θ23 ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng xác định trật tự khối lượng neutrino và độ nhạy của các thí nghiệm trong việc đo lường pha δCP.

II. Thách thức lớn Vấn đề góc bát phân octant của θ23

Một trong những thách thức lớn nhất trong vật lý neutrino hiện nay là xác định chính xác octant của θ23. Các phép đo dao động neutrino trong kênh biến mất P(νµ → νµ) rất nhạy với giá trị của sin²(2θ23). Tuy nhiên, hàm sin²(2θ) có tính đối xứng quanh π/4 (45 độ), nghĩa là một giá trị θ23 và (π/2 - θ23) sẽ cho cùng một giá trị sin²(2θ23). Ví dụ, 42 độ và 48 độ đều cho kết quả sin²(2θ) gần như nhau. Sự suy biến này được gọi là "vấn đề octant của θ23": liệu θ23 nằm ở góc bát phân dưới (lower octant, < 45°) hay góc bát phân trên (upper octant, > 45°)? Việc không phân biệt được hai khả năng này tạo ra một sự không chắc chắn đáng kể trong mô hình. Giải quyết vấn đề này đòi hỏi các phép đo từ kênh xuất hiện P(νµ → νe), vốn nhạy cảm với sin²(θ23) thay vì sin²(2θ23). Tuy nhiên, xác suất này lại bị suy biến với các tham số khác như pha δCP và trật tự khối lượng neutrino. Các thí nghiệm hiện tại như thí nghiệm T2K và NOνA đã bắt đầu có những gợi ý, nhưng vẫn chưa đủ ý nghĩa thống kê để đưa ra kết luận cuối cùng. Do đó, cần một thế hệ thí nghiệm mới với độ nhạy thực nghiệm cao hơn như thí nghiệm Hyper-Kamiokande để giải quyết dứt điểm câu hỏi hóc búa này.

2.1. Sự suy biến trong xác suất dao động của muon neutrino

Kênh chính để đo góc trộn Lepton θ23 là kênh biến mất của muon neutrino. Xác suất sống sót của νµ, P(νµ → νµ), được mô tả bởi công thức P ≈ 1 - sin²(2θ23)sin²(Δm²₃₂L/4E). Do sự phụ thuộc vào sin²(2θ23), phép đo này không thể phân biệt giữa θ23 và (π/2 - θ23). Đây là một suy biến nội tại, có nghĩa là chỉ dựa vào kênh biến mất thì không thể xác định được octant của θ23. Việc này đòi hỏi phải kết hợp dữ liệu từ các kênh dao động khác, đặc biệt là kênh xuất hiện của neutrino electron, nơi sự suy biến này có thể được phá vỡ.

2.2. Tại sao các thí nghiệm như Super Kamiokande chưa đủ mạnh

Mặc dù Super-Kamiokande là thí nghiệm tiên phong trong việc khám phá dao động neutrino khí quyển và đo lường θ23, nó vẫn có những hạn chế về mặt thống kê và sai số hệ thống để xác định chính xác octant của θ23. Thí nghiệm này chủ yếu dựa vào nguồn neutrino khí quyển, có phổ năng lượng rộng và thông lượng không chắc chắn. Các thí nghiệm sau này như thí nghiệm T2K sử dụng chùm neutrino nhân tạo từ J-PARC có kiểm soát tốt hơn, nhưng vẫn bị giới hạn bởi số lượng sự kiện thu thập được. Để phá vỡ sự suy biến một cách rõ ràng, cần một lượng thống kê lớn hơn nhiều và khả năng kiểm soát sai số hệ thống tốt hơn, đó chính là mục tiêu của thí nghiệm Hyper-Kamiokande.

III. Hyper Kamiokande Phương pháp đo góc trộn θ23 chính xác

Để giải quyết vấn đề octant của θ23, thí nghiệm Hyper-Kamiokande (Hyper-K) được xây dựng với những cải tiến vượt bậc. Đây là một thí nghiệm dao động neutrino đường cơ sở dài, sử dụng chùm neutrino cường độ cao từ cơ sở máy gia tốc J-PARC đã được nâng cấp, bắn đến một detector Cherenkov nước khổng lồ đặt cách đó 295 km. Trái tim của Hyper-K là một bể chứa 258.000 tấn nước siêu tinh khiết, lớn hơn khoảng 8 lần so với Super-Kamiokande. Kích thước khổng lồ này cho phép Hyper-K thu thập một lượng dữ liệu thống kê chưa từng có, giúp tăng cường đáng kể độ nhạy thực nghiệm. Phương pháp của Hyper-K dựa trên việc đo lường đồng thời cả kênh biến mất của muon neutrino (νµ → νµ) và kênh xuất hiện của electron neutrino (νµ → νe). Kênh biến mất giúp xác định chính xác giá trị của sin²(2θ23), trong khi kênh xuất hiện, với độ nhạy với sin²(θ23), sẽ giúp phá vỡ sự suy biến và xác định octant của θ23. Bằng cách vận hành ở cả hai chế độ neutrino và phản neutrino, Hyper-K có thể tách biệt ảnh hưởng của pha δCP và trật tự khối lượng neutrino, từ đó cô lập và đo lường góc trộn Lepton θ23 với độ chính xác cao.

3.1. Thiết kế và quy mô của detector Cherenkov nước khổng lồ

Thí nghiệm Hyper-Kamiokande sử dụng một detector Cherenkov nước hình trụ, cao 60m và đường kính 74m. Bên trong được trang bị khoảng 40.000 đèn nhân quang điện (PMT) thế hệ mới có hiệu suất cao hơn gấp đôi so với các PMT trong Super-Kamiokande. Thể tích hiệu dụng lớn (187.000 tấn) cho phép ghi nhận số lượng sự kiện neutrino tương tác cao kỷ lục. Thiết kế này tối ưu hóa việc tái tạo năng lượng và xác định loại hạt (electron hay muon) dựa trên hình dạng của vòng sáng Cherenkov, một yếu tố quan trọng để phân biệt các kênh dao động.

3.2. Nguồn neutrino cường độ cao từ cơ sở J PARC

Nguồn neutrino cho Hyper-K được tạo ra tại Khu liên hợp Máy gia tốc Proton Nhật Bản (J-PARC). Công suất chùm proton dự kiến sẽ được nâng cấp lên 1.3 MW, tạo ra thông lượng muon neutrino và phản-neutrino lớn hơn đáng kể so với thí nghiệm T2K. Chùm tia được hướng lệch một góc 2.5 độ so với detector để tạo ra một phổ năng lượng hẹp tập trung quanh 600 MeV, là năng lượng tối ưu cho việc nghiên cứu dao động neutrino ở đường cơ sở 295 km. Việc kiểm soát chùm tia tốt giúp giảm thiểu sai số hệ thống.

IV. Cách Hyper K tăng độ nhạy và đo vi phạm CP trong lepton

Thí nghiệm Hyper-Kamiokande được kỳ vọng sẽ mang lại một bước đột phá trong việc đo lường vi phạm CP trong lepton. Khả năng này liên quan trực tiếp đến việc xác định chính xác góc trộn Lepton θ23. Sự bất đối xứng giữa xác suất dao động của neutrino (P(νµ → νe)) và phản-neutrino (P(ν̄µ → ν̄e)) là dấu hiệu của vi phạm CP, và độ lớn của sự bất đối xứng này phụ thuộc vào pha δCP. Tuy nhiên, phép đo này bị ảnh hưởng bởi các tham số khác, đặc biệt là octant của θ23. Luận văn của Phan Tố Quyên chỉ ra rằng, nếu octant của θ23 không được xác định, độ không chắc chắn trong giá trị của θ23 sẽ làm giảm độ nhạy thực nghiệm của phép đo δCP. Bằng cách kết hợp dữ liệu từ kênh xuất hiện và biến mất, cùng với lượng thống kê khổng lồ, Hyper-K có thể phá vỡ sự suy biến giữa θ23 và δCP. Theo các mô phỏng, như được thực hiện bằng phần mềm GLoBES trong nghiên cứu, việc xác định chính xác octant sẽ giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của phép đo pha δCP. Dự kiến, Hyper-K có thể xác nhận vi phạm CP trong lepton ở mức tin cậy trên 5σ cho một phần lớn các giá trị của δCP, mở đường cho việc giải thích sự thống trị của vật chất so với phản vật chất trong vũ trụ.

4.1. Ảnh hưởng của octant θ23 đến phép đo pha δCP chính xác

Xác suất xuất hiện neutrino electron P(νµ → νe) chứa một số hạng giao thoa phụ thuộc đồng thời vào cả sin(θ23) và sin(δCP). Nếu giá trị của θ23 không được biết chính xác (do vấn đề octant), sự không chắc chắn này sẽ lan truyền sang việc xác định δCP. Việc xác định được octant của θ23 sẽ loại bỏ một nguồn sai số hệ thống quan trọng, giúp "làm sạch" tín hiệu vi phạm CP trong lepton. Điều này cho phép các nhà khoa học trích xuất giá trị của pha δCP với độ chính xác cao hơn từ cùng một bộ dữ liệu, tăng cường khả năng khám phá vật lý mới.

4.2. Kết hợp dữ liệu để phá vỡ suy biến tham số

Chiến lược quan trọng của Hyper-K là kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn và kênh khác nhau. Dữ liệu từ chế độ neutrino và phản-neutrino giúp tách biệt các hiệu ứng do pha δCP (đổi dấu) và các hiệu ứng vật chất (cũng đổi dấu). Việc kết hợp phân tích kênh xuất hiện (nhạy với octant và δCP) và kênh biến mất (nhạy với sin²(2θ23)) cho phép ràng buộc đồng thời các tham số này. Hơn nữa, kết quả từ các thí nghiệm lò phản ứng hạt nhân đo θ13 chính xác cũng được sử dụng làm đầu vào, giúp giảm thêm không gian tham số và tăng cường độ nhạy thực nghiệm tổng thể.

V. Kết luận và tương lai nghiên cứu góc trộn Lepton θ23

Việc xác định chính xác góc trộn Lepton θ23 và giải quyết dứt điểm vấn đề octant của θ23 là một trong những mục tiêu hàng đầu của vật lý hạt cơ bản trong thập kỷ tới. Thí nghiệm Hyper-Kamiokande, với quy mô và công nghệ vượt trội, đứng ở vị trí tiên phong để hoàn thành nhiệm vụ này. Các nghiên cứu mô phỏng, như được trình bày trong luận văn tham khảo, đã khẳng định tiềm năng to lớn của Hyper-K trong việc đo lường tham số này với độ chính xác chưa từng có. Kết quả từ Hyper-K sẽ không chỉ giúp hoàn thiện ma trận PMNS mà còn có tác động sâu rộng. Việc xác định được octant sẽ tăng cường đáng kể khả năng đo lường vi phạm CP trong lepton, một bước tiến quan trọng để hiểu về nguồn gốc của vật chất trong vũ trụ. Hơn nữa, một giá trị θ23 chính xác sẽ là một ràng buộc mạnh mẽ cho các lý thuyết vật lý ngoài Mô hình Chuẩn, chẳng hạn như các mô hình đối xứng hương vị (flavor symmetry) hay các lý thuyết thống nhất lớn (GUTs). Tương lai của vật lý neutrino đang rộng mở, và thí nghiệm Hyper-Kamiokande cùng với các thí nghiệm khác như DUNE sẽ là những công cụ chủ chốt để khám phá những bí ẩn còn lại của các hạt ma quái này.

5.1. Tiềm năng khám phá vật lý ngoài Mô hình Chuẩn

Giá trị chính xác của góc trộn Lepton θ23 cung cấp một manh mối quan trọng về cấu trúc cơ bản của vật chất. Nếu θ23 chính xác bằng 45°, điều đó có thể gợi ý về một sự đối xứng µ-τ cơ bản trong tự nhiên. Bất kỳ độ lệch nào so với 45° cũng sẽ là một thông tin quý giá, giúp loại trừ hoặc ủng hộ các mô hình lý thuyết khác nhau nhằm mở rộng Mô hình Chuẩn. Do đó, kết quả từ Hyper-Kamiokande sẽ là một bài kiểm tra nghiêm ngặt cho các ý tưởng lý thuyết mới.

5.2. Tầm nhìn dài hạn Sự kết hợp với các thí nghiệm toàn cầu

Để có được bức tranh toàn cảnh nhất, dữ liệu từ thí nghiệm Hyper-Kamiokande sẽ được kết hợp với các thí nghiệm khác trên thế giới, như DUNE ở Mỹ (sử dụng công nghệ argon lỏng và đường cơ sở dài hơn) và JUNO ở Trung Quốc (tập trung vào trật tự khối lượng neutrino). Sự kết hợp này sẽ giúp phá vỡ các suy biến còn lại giữa các tham số và cung cấp những phép đo chính xác nhất về tất cả các tham số dao động neutrino, đưa chúng ta đến gần hơn với một lý thuyết hoàn chỉnh về các hạt lepton.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Neutrino là một thực thể tồn tại phổ biến trong tự nhiên, có vai trò quan trọng trong sự hình thành và tiến triển của thế giới vật chất, là chìa khóa để tìm ra dấu hiệu vi phạm vật chất và phản vật chất trong Vũ Trụ. Việc nghiên cứu vật lý neutrino trở thành đề tài nghiên cứu thú vị thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong nước và các nước trên thế giới. Phát hiện của thí nghiệm Super-Kamiokande (Super-K) năm 1998 [1] về hiện tượng dao động neutrino từ khí quyển đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm quan trọng chỉ ra điểm hạn chế của Mô hình chuẩn (SM). Việc tìm hiểu các tính chất của neutrino vì vậy giúp đặt nền móng quan trọng cho sự phát triển các mô hình sau SM và các thí nghiệm tiếp theo.

Neutrino là các hạt cơ bản tương tự như electron, quark và photon nhưng có khối lượng rất nhỏ cỡ 1 phần tỷ khối lượng proton. Tuy nhiên, mật độ của neutrino trong Vũ Trụ là rất lớn, khoảng 330 hạt trên cm3 , lớn thứ hai trong Vũ Trụ chỉ sau photon và lớn gấp một tỷ lần mật độ của proton. Neutrino là hạt fermion có spin bán nguyên, không có điện tích, chỉ tham gia hai trong số 4 tương tác cơ bản mà chúng ta biết đến: tương tác yếu và tương tác hấp dẫn. Tuy nhiên khối lượng neutrino là rất nhỏ do đó người ta thường bỏ qua việc xét đến tương tác hấp dẫn.

Có 3 loại hạt neutrino bao gồm neutrino vị electron νe , neutrino vị muon νµ và neutrino vị tau ντ. Ứng với mỗi neutrino tồn tại một phản neutrino tương ứng mang spin bán nguyên và trung hòa về điện. Trong trường hợp neutrino là hạt Majorana, neutrino và phản neutrino 2 là một. Neutrino tồn tại xung quanh chúng ta từ khí quyển, Mặt Trời, từ các phân rã beta của các hạt nhân nguyên tử hoặc các hadron, các phản ứng hạt nhân, trong lõi các ngôi sao,.

và việc nghiên cứu neutrino có vai trò rất thiết thực. Nó cho ta quan sát quá trình hoạt động bên trong của lò phản ứng hạt nhân, cho ta thông tin về các thiên hà xa xôi cũng như lịch sử của Vũ Trụ, giúp ta nghiên cứu lõi các ngôi sao cũng như Mặt Trời. Tuy nhiên neutrino tương tác rất yếu với vật chất. Ví dụ, các neutrino tạo ra trong Lò phản ứng hạt nhân với năng lượng Eν ∼ 1 MeV có tiết diện tán xạ σ ∼ 10−44 cm2 , tương ứng với xác suất ∼ 10−18 để có tương tác neutrino với máy dò có độ dày 1m hoặc xác suất ∼ 10−11 để có tương tác xảy ra bên trong Trái Đất dọc theo quỹ đạo đi qua tâm của nó.

Trong khoảng thời gian sống của một người, số lượng neutrino tương tác với cơ thể chúng ta chỉ khoảng vài hạt trong khi mỗi giây có khoảng 9 nghìn tỉ hạt neutrino từ Mặt Trời đi qua lòng bàn tay mà chúng ta không hề hay biết. Neutrino có thể đi xuyên qua các ngôi sao, hành tinh và chu du trong Vũ Trụ mà rất ít bị cản trở. Các thí nghiệm neutrino nổi tiếng trên thế giới hiện nay như T2K, NOνA, MINOS, ICARUS, Double-CHOOZ,. đã và đang nỗ lực trong việc tìm hiểu sâu hơn về các tính chất của neutrino.

Bao gồm việc tìm kiếm dấu hiệu bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất trong Vũ Trụ, thứ tự bậc khối lượng của neutrino. thông qua các phép đo dao động neutrino. Dao động neutrino là hiện tượng cơ học lượng tử mà ở đó neutrino có thể thay đổi vị trong quá trình di chuyển trong không gian. Trong đó, mối quan hệ giữa các trạng thái vị riêng và trạng thái riêng khối lượng được tham số hóa qua 4 tham số dao động bao gồm 3 góc trộn (θ12 , θ13 , θ23 ) và pha Dirac δCP là đại lượng đặc trưng cho dấu hiệu vi phạm đối xứng bao gồm đối xứng liên hợp điện tích (C) và đảo ngược chẵn lẻ (P) hay viết tắt là vi phạm đối xứng CP trong phân hạt lepton.

Khi đó xác suất dao động là một hàm các tham số dao động bao gồm 4 tham số trên và các hiệu bình phương khối lượng (∆m221 , ∆m231 trong đó ∆m2ij = m2i − m2j ), quãng đường mà neutrino di chuyển và năng lượng neutrino. Bằng việc liên tục cải tiến và nâng cấp các hệ thống máy dò, nguồn neutrino có cường độ lớn, các thí nghiệm đến thời điểm hiện tại đã mang lại những hiểu biết cơ 3 bản về giá trị các tham số dao động. Cụ thể, các góc trộn θ12 và θ23 được xác nhận là lớn (so với các góc trộn trong ma trận trộn của các hạt quark hay còn gọi là ma trận CKM) trong đó θ23 có giá trị gần với giá trị π/4 (ở đó xác suất xuất hiện neutrino vị electron là cực đại), θ13 có giá trị nhỏ nhưng khác không, |∆m231 | lớn gấp 30 lần ∆m221. Giá trị các tham số dao động thu được gần đây nhất đã được cập nhật trong tài liệu [2].

Tuy nhiên, bức tranh vật lý về neutrino vẫn chưa được hoàn chỉnh vì vẫn còn một số câu hỏi xoay quanh chưa được giải đáp thỏa đáng: 1. Giá trị pha phá vỡ đối xứng CP trong phần lepton δCP là bao nhiêu? Tháng 4/2020, T2K đã công bố kết quả đáng lưu ý trên tạp chí Nature về dấu hiệu phá vỡ đối xứng CP trong dao động neutrino ở mức độ tin cậy 95% [3]. Nếu các kết quả này được xác nhận từ dữ liệu của các thí nghiệm trong tương lai, dấu hiệu vi phạm này có thể chỉ ra cách giải thích về việc vật chất được hình thành nhiều hơn phản vật chất trong Vũ Trụ của chúng ta như thế nào. Tuy nhiên, giá trị chính xác của δCP là bao nhiêu, điều này cần phải thêm số liệu mới khẳng định được.

Thứ tự phân bậc khối lượng của ba trạng thái riêng khối lượng là như thế nào? Sự phân bậc khối lượng (MH) là phân bậc khối lượng thuận (NH) (m3 > m2 > m1 ) hay phân bậc nghịch đảo (IH) (m2 > m1 > m3 )? 3. θ23 có chính xác bằng π/4 hay không? Nếu không thì vị trí góc bát phân: θ23 > π/4 hay θ23 < π/4? Trong luận văn này, chúng tôi tập trung tìm hiểu và giải quyết câu hỏi thứ ba về vấn đề xác định góc bát phân của θ23 và khảo sát ảnh hưởng của nó đến vấn đề thứ nhất về phép đo vi phạm đối xứng CP. Để đo các tham số dao động, thực nghiệm về cơ bản là đo xác suất dao động từ đó trích xuất giá trị các tham số. Góc trộn θ23 , dựa trên các dữ liệu thu được, có giá trị gần với giá trị π/4.

Nếu θ23 thực sự bằng π/4 thì một số ẩn số về sự đối xứng giữa thế hệ lepton thứ 2 và thế hệ thứ 3 sẽ được tiết lộ. Tuy nhiên, nếu θ23 ̸= π/4 thì ta không thể biết chính xác liệu θ23 sẽ nằm trong vùng nhỏ hơn π/4 hay lớn hơn π/4 vì 2 giá trị khác nhau của θ23 nằm trong 2 vùng này cho ta cùng một giá trị xác suất (tính chất góc bát phân của θ23 ). Và nếu θ23 được xác 4 định chính xác, điều này sẽ giúp tăng độ nhạy cho phép đo vi phạm đối xứng CP một cách rõ ràng hơn. Bởi vậy việc xác định vị trí góc bát phân của θ23 là một đề tài thú vị mà chúng tôi quan tâm.

Các thí nghiệm hiện tại đang hoạt động như T2K và NOνA có khả năng đo được θ23 với độ chính xác cao tuy nhiên vẫn tồn tại những hạn chế nhất định về mặt ý nghĩa thống kê. Thí nghiệm Hyper-Kamiokande (viết tắt là Hyper-K) [4] là một trong những thí nghiệm lớn nhất tại Nhật Bản đã bắt đầu xây dựng từ năm 2020 và dự kiến lấy dữ liệu từ năm 2027, là một thế hệ tiếp nối đầy tiềm năng của các thí nghiệm đường cơ sở dài với nhiều khám phá vật lý đầy triển vọng. Với kích thước lớn (hình trụ, với đường kính 60m và chiều sâu 74m có sức chứa 258 nghìn tấn nước siêu sạch, lớn gấp ∼8.4 lần so với thí nghiệm Super-K), thí nghiệm Hyper-K có độ nhạy cao trong việc đo góc trộn θ23. Trên cơ sở đó chúng tôi chọn vấn đề nghiên cứu “Tìm vị trí góc bát phân của góc trộn lepton θ23 với thí nghiệm Hyper-Kamiokande và ảnh hưởng của nó đến phép đo vi phạm đối xứng CP” nhằm bước đầu xây dựng các cơ sở hiện tượng luận cho việc xác định và cải thiện khả năng đo góc trộn θ23 một cách chính xác hơn trong thí nghiệm Hyper-K.

Chúng tôi hy vọng các kết quả thu được sẽ là cơ sở và nguồn tài liệu cần thiết góp phần trong việc xác định các tham số trong ma trận trộn với độ chính xác cao và được sử dụng trong các thí nghiệm hiện tại và dự kiến trong tương lai. Mục đích nghiên cứu • Nghiên cứu khả năng cải thiện độ nhạy góc bát phân của tham số trộn lepton θ23 trong thí nghiệm Hyper-K. Sử dụng mô hình dao động 3 trạng thái neutrino đang được chấp nhận rộng rãi nhất trong giới vật lý (mô hình PMNS) để giải thích các số liệu từ các thí nghiệm neutrino. Từ đó, xây dựng các phương pháp cải thiện vấn đề góc bát phân của thí nghiệm và xây dựng đại lượng vật lý đặc trưng cho độ nhạy phép đo θ23 trong các thí nghiệm dao động neutrino.

• Khảo sát ảnh hưởng của khả năng xác định và cải thiện góc bát phân θ23 5 đối với phép đo pha phá vỡ đối xứng CP (δCP ) trong dao động neutrino. Xây dựng đại lượng vật lý đặc trưng cho độ nhạy của phép đo δCP trong sự suy biến với góc trộn θ23. Nội dung nghiên cứu • Tổng quan về SM và neutrino trong SM. Vấn đề khối lượng và các tương tác của neutrino trong SM.

• Dao động neutrino và phép đo các tham số dao động trong thực nghiệm trong đó tập trung vào tính chất góc bát phân của θ23 và độ nhạy của các mẫu số liệu thực nghiệm đối với sự suy biến của θ23. • Xây dựng mô hình mô phỏng thí nghiệm Hyper-K sử dụng phần mềm GLoBES. • Khảo sát độ nhạy của phép đo θ23 trong thí nghiệm Hyper-K bao gồm vị trí góc bát phân và cách cải thiện độ chính xác trong phép đo góc bát phân θ23. Tìm đại lượng vật lý mô tả cho độ nhạy của thí nghiệm đối với phép đo θ23 và tính toán đại lượng đó với dữ liệu thực của T2K.