I. Giới thiệu về vật chất tối và mô hình 3 3 1 mở rộng
Vật chất tối (Dark Matter - DM) là một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ học và vật lý hạt cơ bản. Theo các quan sát thực nghiệm, DM chiếm khoảng 26.8% tổng năng lượng trong vũ trụ, trong khi vật chất thông thường chỉ chiếm 4.9%. Mô hình chuẩn (Standard Model - SM) của vật lý hạt không thể giải thích sự tồn tại của DM, dẫn đến nhu cầu mở rộng SM. Mô hình 3-3-1 mở rộng là một trong những hướng nghiên cứu tiềm năng, nơi các đối xứng mới được thêm vào để giải thích sự tồn tại của DM. Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu DM trong các mô hình 3-3-1 mở rộng, đặc biệt là vai trò của axion và fermion trung hòa.
1.1. Vật chất tối và các bằng chứng thực nghiệm
Các bằng chứng về vật chất tối đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm vận tốc của các thiên hà, hiệu ứng thấu kính hấp dẫn, và các quan sát từ vệ tinh PLANCK. Ví dụ, vận tốc của các thiên hà không giảm theo khoảng cách như dự đoán, cho thấy sự tồn tại của một dạng vật chất không nhìn thấy. Các nghiên cứu về vũ trụ học cũng chỉ ra rằng DM chiếm phần lớn khối lượng trong vũ trụ, trong khi vật chất thông thường chỉ là một phần nhỏ.
1.2. Mô hình 3 3 1 mở rộng và vai trò của DM
Mô hình 3-3-1 mở rộng là một mô hình lý thuyết mở rộng SM, nơi các đối xứng mới được thêm vào để giải thích các hiện tượng mà SM không thể. Trong mô hình này, axion và fermion trung hòa được xem xét như các ứng cử viên tiềm năng cho DM. Axion, một hạt giả vô hướng nhẹ, xuất hiện từ cơ chế Peccei-Quinn để giải quyết vấn đề strong-CP. Fermion trung hòa, một hạt nặng hơn, cũng được nghiên cứu như một ứng cử viên DM trong các mô hình mở rộng.
II. Axion trong mô hình 3 3 1 và thực nghiệm tìm kiếm
Axion là một hạt giả vô hướng nhẹ, được đề xuất bởi Peccei-Quinn để giải quyết vấn đề strong-CP trong sắc động lực học lượng tử (QCD). Trong mô hình 3-3-1 mở rộng, axion được nghiên cứu như một ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối. Các nghiên cứu tập trung vào quá trình rã của axion thành hai photon và sự chuyển hóa photon thành axion trong các trường điện từ ngoài. Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế các thí nghiệm tìm kiếm axion.
2.1. Nguồn gốc và tính chất của axion
Axion xuất hiện từ cơ chế phá vỡ đối xứng Peccei-Quinn, một giải pháp cho vấn đề strong-CP trong QCD. Axion là một hạt giả vô hướng nhẹ, với khối lượng trong khoảng từ 10^-6 eV đến 10^-3 eV. Tính chất này làm cho axion trở thành một ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối, đặc biệt là trong các mô hình vũ trụ học.
2.2. Thực nghiệm tìm kiếm axion
Các thí nghiệm tìm kiếm axion tập trung vào việc phát hiện sự chuyển hóa photon thành axion trong các trường điện từ ngoài. Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng quá trình này có thể xảy ra trong điện trường tĩnh, từ trường tĩnh, và ống dẫn sóng. Các kết quả này cung cấp cơ sở cho việc thiết kế các thí nghiệm tìm kiếm axion trong tương lai.
III. Fermion trung hòa trong mô hình 3 3 1 1
Fermion trung hòa là một ứng cử viên khác cho vật chất tối trong các mô hình 3-3-1 mở rộng. Trong mô hình 3-3-1-1, fermion trung hòa được nghiên cứu như một hạt nặng, có khả năng đóng vai trò DM. Các nghiên cứu tập trung vào việc xác định khối lượng và tính chất tương tác của fermion trung hòa, cũng như khả năng phát hiện chúng trong các thí nghiệm.
3.1. Đặc điểm của fermion trung hòa
Fermion trung hòa trong mô hình 3-3-1-1 là một hạt nặng, với khối lượng trong khoảng từ vài trăm MeV đến vài TeV. Tính chất trung hòa và bền vững của fermion trung hòa làm cho nó trở thành một ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối. Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng fermion trung hòa có thể tương tác yếu với vật chất thông thường, làm cho việc phát hiện chúng trở nên khó khăn.
3.2. Thực nghiệm tìm kiếm fermion trung hòa
Các thí nghiệm tìm kiếm fermion trung hòa tập trung vào việc phát hiện các tín hiệu gián tiếp từ quá trình hủy cặp của chúng. Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng quá trình hủy cặp của fermion trung hòa có thể tạo ra các hạt photon hoặc neutrino, cung cấp tín hiệu cho các thí nghiệm tìm kiếm DM.
IV. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo
Luận án đã nghiên cứu vai trò của vật chất tối trong các mô hình 3-3-1 mở rộng, đặc biệt là axion và fermion trung hòa. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả hai hạt này đều có tiềm năng trở thành ứng cử viên cho DM. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện các mô hình lý thuyết và thiết kế các thí nghiệm tìm kiếm DM hiệu quả hơn.
4.1. Các kết quả chính của luận án
Luận án đã chứng minh rằng axion và fermion trung hòa là các ứng cử viên tiềm năng cho vật chất tối trong các mô hình 3-3-1 mở rộng. Các nghiên cứu lý thuyết đã cung cấp cơ sở cho việc thiết kế các thí nghiệm tìm kiếm DM trong tương lai.
4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo
Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện các mô hình lý thuyết, đặc biệt là việc mở rộng các đối xứng và thêm các hạt mới. Đồng thời, các thí nghiệm tìm kiếm DM sẽ được thiết kế để tăng độ nhạy và khả năng phát hiện các hạt DM.
