Luận văn tìm vị trí góc bát phân của góc trộn lepton θ23 với thí nghiệm Hyper-Kamiokande

Neutrino là các hạt cơ bản trung hòa về điện, chỉ tương tác qua lực yếu và lực hấp dẫn. Hiện tượng dao động neutrino là một hiện tượng cơ học lượng tử, trong đó neutrino có thể thay đổi hương (flavor) trong quá trình di chuyển. Điều này chứng tỏ rằng neutrino có khối lượng, mặc dù rất nhỏ. Dao động neutrino được mô tả bởi ma trận PMNS, trong đó các góc trộn và pha CP đóng vai trò quan trọng. Việc nghiên cứu dao động neutrino giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các tính chất cơ bản của neutrino và tìm kiếm các hiện tượng vật lý mới vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn.

Hyper-Kamiokande là một thí nghiệm neutrino thế hệ mới, được xây dựng dựa trên thành công của Super-Kamiokande. Với kích thước lớn hơn và độ nhạy cao hơn, Hyper-K có khả năng đo lường chính xác các tham số dao động neutrino, bao gồm cả góc trộn θ23 và pha CP. Thí nghiệm sử dụng nước siêu tinh khiết làm môi trường dò và các ống nhân quang để phát hiện ánh sáng Cherenkov phát ra từ các tương tác neutrino. Hyper-K dự kiến sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu vào năm 2027 và hứa hẹn sẽ mang lại những khám phá quan trọng trong lĩnh vực vật lý neutrino.

Tính chất góc bát phân của θ23 xuất phát từ việc xác suất dao động neutrino là một hàm của sin²(2θ23). Do đó, hai giá trị khác nhau của θ23, một nằm trong vùng nhỏ hơn π/4 và một nằm trong vùng lớn hơn π/4, có thể cho cùng một giá trị xác suất dao động. Điều này gây khó khăn trong việc xác định chính xác vị trí của θ23. Để giải quyết vấn đề này, cần phải sử dụng các kỹ thuật phân tích dữ liệu phức tạp và kết hợp thông tin từ nhiều thí nghiệm khác nhau.

Việc không xác định được vị trí góc bát phân của θ23 làm giảm độ nhạy của phép đo vi phạm đối xứng CP trong dao động neutrino. Sự mơ hồ về θ23 tạo ra một sự suy biến trong không gian tham số, làm cho việc trích xuất giá trị chính xác của pha CP trở nên khó khăn hơn. Do đó, việc cải thiện độ chính xác của phép đo θ23 là rất quan trọng để tăng cường khả năng tìm kiếm vi phạm đối xứng CP và hiểu rõ hơn về nguồn gốc của sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong vũ trụ.

GLoBES là một phần mềm mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi trong cộng đồng vật lý neutrino để mô phỏng các thí nghiệm dao động neutrino đường dài. Phần mềm cho phép người dùng định nghĩa các thông số của thí nghiệm, chẳng hạn như nguồn neutrino, bộ dò, và các hiệu ứng vật chất. GLoBES sử dụng các thuật toán số để tính toán xác suất dao động neutrino và mô phỏng quá trình tương tác của chúng trong bộ dò. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để đánh giá độ nhạy của thí nghiệm đối với các tham số dao động và tối ưu hóa thiết kế của thí nghiệm.

Mô phỏng Hyper-Kamiokande trong GLoBES bao gồm việc xác định các thông số sau: thông lượng neutrino từ nguồn J-PARC, tiết diện tương tác neutrino, hiệu suất phát hiện của bộ dò, và các sai số hệ thống. Thông lượng neutrino được tính toán dựa trên thiết kế của nguồn J-PARC và các đặc tính của chùm tia neutrino. Tiết diện tương tác neutrino được lấy từ các mô hình lý thuyết và các kết quả từ các thí nghiệm trước đó. Hiệu suất phát hiện của bộ dò được ước tính dựa trên thiết kế của bộ dò Hyper-K và các đặc tính của nước siêu tinh khiết. Các sai số hệ thống được đưa vào mô phỏng để phản ánh sự không chắc chắn trong các thông số của thí nghiệm.

Độ nhạy của phép đo góc bát phân θ23 trong thí nghiệm Hyper-Kamiokande bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Sai số hệ thống trong tín hiệu gốc và tín hiệu nhiễu có thể làm giảm độ nhạy. Việc kết hợp dữ liệu từ các mẫu số liệu khác nhau, chẳng hạn như các mẫu xuất hiện và biến mất, có thể giúp cải thiện độ nhạy. Ngoài ra, sự phân bậc khối lượng neutrino (NH hoặc IH) cũng có thể ảnh hưởng đến độ nhạy của phép đo.

Các mẫu số liệu xuất hiện (νe và ν̄e) đóng vai trò quan trọng trong việc phá vỡ sự suy biến giữa θ23 và pha CP. Việc kết hợp dữ liệu từ các mẫu số liệu này với dữ liệu từ các mẫu số liệu biến mất (νµ và ν̄µ) giúp tăng cường khả năng xác định vị trí góc bát phân của θ23. Phân tích cho thấy việc tối ưu hóa thời gian chạy máy cho từng chế độ (neutrino và phản neutrino) có thể giúp cải thiện độ nhạy của phép đo.

Độ nhạy của phép đo vi phạm đối xứng CP được đánh giá bằng cách tính toán sự khác biệt trong xác suất dao động giữa neutrino và phản neutrino. Sự khác biệt này phụ thuộc vào pha CP và các tham số dao động khác, bao gồm cả θ23. Khi θ23 được biết chính xác, sự không chắc chắn trong phép đo CP giảm xuống, dẫn đến độ nhạy cao hơn. Phân tích cho thấy việc kết hợp dữ liệu từ Hyper-Kamiokande với dữ liệu từ các thí nghiệm khác có thể giúp tăng cường độ nhạy của phép đo CP.

Một đại lượng thường được sử dụng để mô tả độ nhạy của phép đo vi phạm đối xứng CP là SSCP (Sensitivity to CP violation). SSCP được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm của các giá trị pha CP mà có thể được loại trừ ở một mức độ tin cậy nhất định. Giá trị SSCP càng cao, độ nhạy của phép đo CP càng lớn. Phân tích cho thấy việc xác định vị trí góc bát phân của θ23 có thể làm tăng đáng kể giá trị SSCP trong thí nghiệm Hyper-Kamiokande.

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng thí nghiệm Hyper-Kamiokande có tiềm năng lớn trong việc xác định vị trí góc bát phân của góc trộn lepton θ23. Việc xác định chính xác θ23 có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về cấu trúc của ma trận PMNS và tìm kiếm vi phạm đối xứng CP. Kết quả nghiên cứu này cung cấp một cơ sở quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo về vật lý neutrino và có thể giúp chúng ta giải đáp các câu hỏi cơ bản về nguồn gốc của sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất trong vũ trụ.

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật phân tích dữ liệu mới để tối ưu hóa khả năng của Hyper-Kamiokande trong việc khám phá thế giới neutrino. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm việc phát triển các mô hình lý thuyết chính xác hơn về tương tác neutrino, cải thiện độ chính xác của các phép đo sai số hệ thống, và kết hợp dữ liệu từ Hyper-K với dữ liệu từ các thí nghiệm khác. Ngoài ra, cần tiếp tục tìm kiếm các hiện tượng vật lý mới vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn, chẳng hạn như các neutrino vô trùng và các tương tác neutrino mới.