Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG Thí nghiệm Belle II được nâng cấp từ thí nghiệm Belle là một trong nhưng thí nghiệm tiên phong trong lĩnh vực Vật lý năng lượng cao trên thế giới.1 Mục đích của thí nghiệm Belle II Mô hình chuẩn của các hạt nguyên tố (Standard Model) được hình thành từ những năm 70 của thế kỷ XX, là lý thuyết mô tả các hạt cơ bản và tương tác giữa chúng. Trải qua hơn 40 năm mô hình chuẩn đã được chứng minh bằng nhiều kết quả thực nghiệm chính xác. Tuy nhiên vẫn còn một vài lý do khiến cho mô hình chuẩn vẫn chưa hoàn toàn thỏa mãn để trở thành lý thuyết của các hạt cơ bản. Đầu tiên là nó chứa quá nhiều tham số tự do, ví dụ như là khối lượng và sự pha trộn giữa các quark và lepton đều không biết.
Thứ bậc khối lượng của các quark và lepton, ma trận của sự pha trộn giữa các quark (flavor mixing matrices) cái mà được cho là có các cơ chế ẩn xuất hiện ở thang năng lượng cao bao trùm các thành phần của chúng. Thứ hai là sự bất đối xứng về vật chất - phản vật chất trong vũ trụ không thể giải thích duy nhất bằng vi phạm đối xứng CP trong mô hình chuẩn. Những lý do này khiến cho các nhà vật lý tin rằng vẫn còn các hiện tượng vật lý chưa được khám phá ở thang năng lượng ~TeV [11]. Cách trực tiếp nhất để khám phá các yếu tố vật lý mới này là xây dựng các máy gia tốc năng lượng cao (~ TeV) như máy gia tốc LHC (Large Hardon Collider) ở trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) hay là máy gia tốc tương lai ILC (International Linear Collider).
Thực hiện các va chạm ở năng lượng cỡ TeV, các hạt có khối lượng lớn sẽ được tạo thành. Tuy nhiên đây không phải là cách duy nhất để tìm kiếm các hiện tượng vật lý mới, trên thực tế trước khi tìm ra quark Charm sự tồn tại của nó đã được đề xuất để giải Đồng Văn Thanh - 10 – LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II thích sự thay đổi số lạ của các dòng trung hòa (cơ chế GIM Glashow- Illiopolous-Maiani). Thế hệ quark thứ ba được dự đoán bởi Kobayashi và Maskawa để giải thích vi phạm nhỏ đối xứng CP đã tìm thấy trong sự pha trộn Kaon trung hòa[11]. Vì thế hiện nay ngoài việc xây dựng các máy gia tốc lớn thì hướng nghiên cứu khác là nghiên cứu các phân rã hiếm (các phân rã với xác suất cực nhỏ) sau đó so sánh các kết quả thực nghiệm với các dự đoán trong mô hình chuẩn (SM) để tìm kiếm sự sai lệch.
Vì các quá trình của các phân rã hiếm thường rất nhạy với các hiện tượng, quy luật vật lý mới, và các sự sai lệch với mô hình chuẩn có thể giúp cho chúng ta giới hạn các tham số trong một lý thuyết mới. Các hướng nghiên cứu của các phân rã hiếm là các meson nặng như B0, D0, …hay là các baryon nặng, thông thường là các meson nặng bởi vì việc tiến hành thực nghiệm và tính toán lý thuyết dễ dàng hơn. Thí nghiệm Belle được thực hiện với mục đích chính là nghiên cứu vi phạm đối xứng CP trong phân rã của meson B. Điều này đã đạt được vào năm 2001 (cùng lúc với thì nghiệm BaBar) bằng việc đo sự bất đối xứng CP phụ 0 thuộc thời gian trong phân rã B 0 ( B ) J /K s0 [11].
thí nghiệm đã chứng minh cơ chế Kobayashi-Maskawa là chính xác, và nó đã trở thành một phần của mô hình chuẩn. Thí nghiệm Belle cũng chứng minh khả năng có thể quan sát một số kênh phân rả của meson B và chính xác hóa các yếu tố của ma trận CKM (Cabbibo-Kobayashi-Maskawa) và các quan sát khác. Ví dụ như là đo chính xác góc Φ1 của tam giác unitarity ở mức 10% qua phân rã bất đối xứng phụ thuộc thời gian B 0 J /K s0 ; bất đối xứng CP cũng được quan sát trong phân rã B 0 ,từ đó có thể chính xác góc Φ2 ; và góc Φ3 cũng có thể được đo qua quá trình B DK và D ; quá trình bán lepton FCNC B Kl l , B K *l l và thậm chí với cả quá trình B X s l l cũng được quan sát. Hơn nữa gần đây sự không thống nhất khi quan sát góc Φ1 trong quá trình penguin Đồng Văn Thanh - 11 – LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Bảng 1.1 : Các kênh có thể quan sát trên thí nghiệm Belle và Belle II, sai số và so sánh với LHCb[4] B K s0 và giá trị chính xác trong B 0 J /K s0 dẫn đến đề xuất tồn tại quá trình vật lý mới trong phân rã b sq q [10].
Bằng cách tập trung thêm nhiều quan sát nữa để tìm ra các quá trình mới, và một khi sự tồn tại của nó được chứng minh thì các phép đo sẽ xác định các tính chất của nó. Đây là một trong Đồng Văn Thanh - 12 – LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II những lý do mà KEKB được nâng cấp thành superKEKB với luminosity cao hơn 40 lần và Belle thành Belle II.1 là tóm tắt những kênh nghiên có khả năng nghiên cứu trên ở Belle II.2: Các nghiên cứu về vật lý Bs và vật lý quark Charm trên Belle II, so sánh với Belle và LHCb[10].2 Vi phạm đối xứng CP và Vật lý B 1.1 Vi Phạm đối xứng C, P và CP Đối xứng P: (Parity) là đối xứng chẵn lẻ hay là phản xạ không gian. Qua phép biến đổi này thì vector tọa độ của hạt bị đổi chiều, khi tác dụng lên hàm sóng của hạt thì ta có Pψ(x,t)= paψ(-x,t), trong đó pa là trị riêng của tóa tử cho hạt a. Giá trị khả dĩ của pa là -1,+1.
Đối xứng P được chứng mình là bảo toàn trong tương tác điện từ và trong tương tác mạnh, nhưng đến những năm 50 của thế kỉ 20, khi người ta Đồng Văn Thanh - 13 – LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II tìm thấy hai hạt lạ θ và τ (không phải là lepton τ ngày nay) có khối lượng và thời gian sống gần như nhau mà sau này ta biết đó là hạt kaon, hai hạt lạ này phân rã theo hai kênh khác. Hạt θ phân rã thành 2π có chẵn lẻ là P(2 π) = (-1)2 và hạt τ phân rã thành 3 π, có chẵn lẽ là P(3π)=(-1)3 (vì P(π)=-1). Nếu hai hạt này là một thì quá trình trên sẽ vi phạm đối xứng P. Nếu hai hạt này khác nhau và có chẵn lẽ tương ứng là +1,-1 thì quá trình trên bảo toàn đối xứng P.
Đến năm 1956 Lý Chính Đạo và Dương Chấn Ninh nhận xét rằng đối xứng P đã được thực nghiệm chứng minh bảo toàn trong tương tác mạnh và tương tác điện từ nhưng vẫn chưa được chứng minh cho tương tác yếu. Vì thế hai ông đã đề xuất nghiên cứu các quá trình tương tác yếu để chứng tỏ vi phạm P có thể xãy ra hay không. Và thí nghiệm đã được thực hiện bởi Chien- Shiung Wu cùng năm đó tại đại học Columbia. Trong thí nghiệm này bà Wu đã quan sát thấy sự bất đối xứng trong phân bố góc bay ra của electron từ nguồn Cobalt, electron phát ra theo phương phân cực của Colbalt nhiều hơn [14].
Nghĩa là giá trị trung bình của tích moment của electron và spin hạt nhân Cobalt <JCo.Pe> khác không. Nhưng với toán tử P ta có P(JCo.1) Ta thấy rằng P chỉ bất biến khi <JCo.Pe> bằng không. Vì vậy mà đối xứng P bị vi phạm. Liên hợp điện tích C: Phép lấy liên hợp điện tích (Charge Conjunction).
Qua phép biến đổi C thì hạt sẽ biến thành phản hạt và ngược lại và giử nguyên các đại lượng động học như xung lượng, spin còn các đại lượng như điện tích Q, số lạ S, số lepton L, và số baryon B sẽ bị biến đổi. Nếu trạng thái được viết |A,p,s…> thì ta có C A, p, s. , A là liên hợp của A. Đối xứng liên hợp điện tích (C) được chứng minh bảo toàn trong tương tác điện từ và trong tương tác mạnh nhưng lại bị vi pham trong tương tác yếu.
Đồng Văn Thanh - 14 – LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Khi xem xét phép lấy liên hợp điện tích lên neutrino quay trái ta được phản neutrino quay trái. Tuy nhiên trạng thái này lại không tồn tại trong tự nhiên.2) Tuy đối xứng C và đối xứng P bị vi phạm riêng rẽ nhưng khi tác dụng đồng thời C và P lên hệ trên ta lại có được một hệ đúng.3) Đối xứng CP còn liên quan trực tiếp đến sự bất đối xứng về vật chất và phản vật chất trong vũ trụ. Các nhà khoa học đã kỳ vọng đây là một đối xứng hoàn hảo nhưng đến năm 1964 lần đầu tiên các nhà khoa học J.Turlay đã phát hiện ra đối xứng CP bị vi phạm trong phân rã của Kaon trung hòa[12].2 Vi pham đối xứng CP trong hệ Kaon Meson K0 và phản hạt của nó K 0 có số lạ tương ứng là S =1 và S=-1, với cấu trúc quark K 0 d s và K 0 d s (quark s có số lạ Ss =1). Kaon là hạt không bền nhưng do chúng là những meson nhẹ nhất nên không thể phân rã thông qua tương tác mạnh bảo toàn số lạ mà chỉ có thể phân rã thông qua tương tác yếu trong đó số lạ không bảo toàn.
Người ta quan sát thấy một số kênh phân rã chung của hai hạt này như: K0 Và K0 0 0 (1.4) K0 K0 0 0 Trạng thái riêng CP của K10 và K20 Cho đến khi phát hiện ra vi pham CP sau này thì tương tác yếu vi phạm đối xứng chẵn lẻ và liên hợp điện tích nhưng vẫn bất biến trong phép biến đổi CP. Vì vậy ta giả thiết rằng tương tác yếu là trạng thái riêng của CP, không phải là trạng thái riêng của số lạ. Meson K0 và phản hạt của nó K 0 là trạng Đồng Văn Thanh - 15 – LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.