Nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II

Luận văn thạc sĩ phân tích hus nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector cdc trong thí nghiệm belle 2 06, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• Tác giả: Đồng Văn Thanh
• Người hướng dẫn: Ts. Trần Ngọc Tiềm
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Mục đích của thí nghiệm Belle II
• 1.2. Vi phạm đối xứng CP và Vật lý B
• 1.2.1. Vi Phạm đối xứng C, P và CP
• 1.2.2. Vi phạm đối xứng CP trong hệ Kaon
• 1.2.3. Pha trộn quark và ma trận CKM
• 1.2.4. Vi Phạm CP trong hệ B
• 1.3. Máy gia tốc SuperKEKB
• 1.3.1. Máy gia tốc SuperKEKB
• 1.3.2. Luminosity của máy gia tốc SuperKEKB
• 1.3.3. Detector Belle II
• 2. CHƯƠNG 2: PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA TRONG THÍ NGHIỆM BELLE II
• 2.1. Các loại phông do chùm tia gây ra
• 2.2. Bức xạ Synchroton
• 2.3. Hiệu ứng Touschek
• 2.4. Tốc độ của hiệu ứng Touschek
• 2.5. Tiết diện tán xạ Bhabha
• 2.6. Tán xạ với không khí
• 2.7. Phát bức xạ hãm
• 2.8. Tốc độ tán xạ chùm tia không khí
• 3. CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA LÊN DETECTOR CDC
• 3.1. Mô phỏng phông do chùm tia gây ra
• 3.2. Ảnh hưởng của phông lên detector CDC
• 3.2.1. Phông do các hạt tích điện gây ra trong detector
• 3.2.2. Hệ bảng mạch của detector CDC (Front-End Electronics)
• 3.2.2.1. Ảnh hưởng của tia gamma và hạt mang điện
• 3.2.2.2. Ảnh hưởng của neutron
• 4. CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH CÁC VỊ TRÍ SINH NEUTRON VÀ THIẾT KẾ CHE CHẮN
• 4.1. Xác định nguồn gốc của các neutron trên hệ bảng mạch
• 4.2. Che chắn neutron
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thí nghiệm Belle II và detector CDC

Thí nghiệm Belle II là một trong những dự án nghiên cứu vật lý hạt tiên phong, được nâng cấp từ thí nghiệm Belle. Mục tiêu chính của thí nghiệm này là nghiên cứu vi phạm đối xứng CP và các quá trình vật lý liên quan đến meson B. Detector CDC (Central Drift Chamber) là một phần quan trọng trong hệ thống thí nghiệm, giúp phát hiện và phân tích các hạt sinh ra từ các va chạm năng lượng cao. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector CDC là rất cần thiết để đảm bảo độ chính xác của các kết quả thu được trong thí nghiệm.

1.1. Mục đích và ý nghĩa của thí nghiệm Belle II

Thí nghiệm Belle II nhằm mục đích khám phá các hiện tượng vật lý mới thông qua việc nghiên cứu các phân rã hiếm của meson B. Việc nâng cấp từ Belle lên Belle II giúp tăng độ sáng (luminosity) lên 40 lần, cho phép thu thập dữ liệu phong phú hơn và chính xác hơn. Điều này có thể giúp xác định các tham số trong mô hình chuẩn và tìm kiếm các lý thuyết mới.

1.2. Giới thiệu về detector CDC trong thí nghiệm Belle II

Detector CDC là một trong những thiết bị chính trong thí nghiệm Belle II, có nhiệm vụ phát hiện các hạt sinh ra từ va chạm. Nó sử dụng công nghệ buồng trôi để theo dõi các hạt mang điện và cung cấp thông tin về quỹ đạo của chúng. Việc hiểu rõ cấu trúc và hoạt động của detector CDC là rất quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như neutron.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu ảnh hưởng của neutron

Trong thí nghiệm Belle II, phông do chùm tia gây ra có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của detector CDC. Neutron, với khả năng tương tác thấp với vật chất, có thể gây ra các hiệu ứng không mong muốn, làm giảm chất lượng dữ liệu thu thập được. Việc xác định và đánh giá ảnh hưởng của neutron là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

2.1. Các nguồn phát neutron trong thí nghiệm

Neutron có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau trong thí nghiệm, bao gồm các va chạm hạt và bức xạ từ các thiết bị xung quanh. Việc xác định chính xác nguồn gốc của neutron là rất quan trọng để thiết kế các biện pháp che chắn hiệu quả.

2.2. Tác động của neutron lên detector CDC

Neutron có thể gây ra các hư hại trong hệ thống điện tử của detector CDC, ảnh hưởng đến khả năng phát hiện và phân tích tín hiệu. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng neutron có thể làm tăng tỷ lệ lỗi trong việc ghi nhận các sự kiện, dẫn đến việc giảm độ chính xác của các kết quả thu thập được.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector CDC

Để nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector CDC, các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm đã được áp dụng. Việc sử dụng các mô hình toán học để mô phỏng tương tác của neutron với vật liệu detector giúp hiểu rõ hơn về các hiệu ứng xảy ra. Đồng thời, các thí nghiệm thực tế cũng được thực hiện để thu thập dữ liệu và kiểm chứng các mô hình.

3.1. Mô phỏng tương tác của neutron với detector

Các mô hình mô phỏng cho phép nghiên cứu chi tiết về cách neutron tương tác với các thành phần của detector CDC. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng giúp dự đoán các hiệu ứng có thể xảy ra và đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng đến kết quả thí nghiệm.

3.2. Thí nghiệm thực tế để kiểm chứng mô hình

Các thí nghiệm thực tế được thực hiện để thu thập dữ liệu về ảnh hưởng của neutron lên detector CDC. Dữ liệu thu thập được sẽ được so sánh với các kết quả mô phỏng để xác định độ chính xác của các mô hình và điều chỉnh nếu cần thiết.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng neutron có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của detector CDC. Việc xác định chính xác các nguồn phát neutron và thiết kế các biện pháp che chắn hiệu quả là rất cần thiết để nâng cao độ chính xác của thí nghiệm. Các kết quả này không chỉ có giá trị trong thí nghiệm Belle II mà còn có thể áp dụng cho các thí nghiệm vật lý hạt khác.

4.1. Kết quả thu được từ nghiên cứu ảnh hưởng của neutron

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng neutron có thể làm tăng tỷ lệ lỗi trong việc phát hiện các sự kiện, ảnh hưởng đến độ chính xác của các kết quả thu thập được. Các số liệu thu thập được từ thí nghiệm cho thấy sự cần thiết phải có các biện pháp che chắn hiệu quả.

4.2. Ứng dụng của kết quả nghiên cứu trong các thí nghiệm khác

Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của neutron lên detector CDC có thể được áp dụng cho các thí nghiệm vật lý hạt khác, giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của các thiết bị phát hiện. Điều này có thể mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý hạt cơ bản.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II đã chỉ ra những thách thức và cơ hội trong việc cải thiện độ chính xác của các kết quả thu thập được. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các biện pháp che chắn hiệu quả sẽ là một phần quan trọng trong các thí nghiệm vật lý hạt trong tương lai.

5.1. Tóm tắt các phát hiện chính

Nghiên cứu đã xác định được các nguồn phát neutron và ảnh hưởng của chúng đến hoạt động của detector CDC. Các kết quả thu thập được cho thấy sự cần thiết phải có các biện pháp che chắn hiệu quả để nâng cao độ chính xác của thí nghiệm.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Triển vọng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới để giảm thiểu ảnh hưởng của neutron và cải thiện độ chính xác của các thiết bị phát hiện. Điều này sẽ góp phần quan trọng vào việc khám phá các hiện tượng vật lý mới trong lĩnh vực vật lý hạt.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thí nghiệm vật lý hạt nhân Belle II tại Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng cao (KEK), Tsukuba, Nhật Bản đánh dấu bước tiến vượt bậc trong việc tìm kiếm các hiện tượng vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn. Với việc nâng cấp máy gia tốc KEKB thành SuperKEKB, độ sáng thiết kế (Luminosity) đạt mức $8 \times 10^{35} \text{ cm}^{-2}\text{s}^{-1}$, cao gấp 40 lần so với phiên bản tiền nhiệm. Cùng với sự gia tăng độ sáng, lượng meson B tạo thành từ quá trình va chạm giữa chùm hạt electron 7 GeV và positron 4 GeV ở vùng năng lượng cộng hưởng $1.21 \times 10^{-20}$ giây của hạt Upsilon tăng lên đáng kể, cho phép ghi nhận các phân rã hiếm với độ chính xác vị trí phân rã đạt khoảng 200 micromet xung quanh ống va chạm beryllium đường kính 1 cm.

Tuy nhiên, cường độ chùm tia cao đồng nghĩa với việc mức độ bức xạ phông do chùm tia tạo ra tăng vọt từ 10 đến 20 lần. Bức xạ neutron sinh ra từ các quá trình tán xạ phông này đe dọa trực tiếp đến tuổi thọ và độ ổn định của detector buồng trôi trung tâm (Central Drift Chamber - CDC), đặc biệt là hệ thống bảng mạch điện tử đọc tín hiệu (Front-End Electronics) gồm 14.336 kênh truyền dẫn. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là mô phỏng, định lượng thông lượng neutron tác động lên detector CDC, xác định nguồn gốc không gian sinh ra hạt neutron và xây dựng cấu trúc hình học che chắn tối ưu. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn chuẩn bị vận hành từ năm 2013 đến năm 2014, mang ý nghĩa quyết định nhằm bảo vệ hệ thống thiết bị đo đạc, kiểm soát sai số đo lường góc của tam giác unita ở mức dưới 10%, đồng thời đánh dấu sự đóng góp học thuật của nhóm Vật lý năng lượng cao Việt Nam trong dự án hạt nhân quy mô quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của luận văn dựa trên Mô hình Chuẩn của vật lý hạt cơ bản và cơ chế vi phạm đối xứng CP (Charge Conjugation - Parity). Sự vi phạm đối xứng CP trong phân rã của meson B được mô tả thông qua ma trận CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) gồm 3 thế hệ quark. Điều kiện trực giao của ma trận tạo nên tam giác unita db với phương trình $V_{ud}V_{ub}^* + V_{cd}V_{cb}^* + V_{td}V_{tb}^* = 0$, trong đó các góc của tam giác phản ánh mức độ bất đối xứng vật chất - phản vật chất trong vũ trụ.

Quá trình hình thành phông bức xạ trong máy gia tốc SuperKEKB được giải thích qua ba hiện tượng vật lý chủ đạo:

• Hiệu ứng Touschek: Tán xạ đàn hồi giữa các hạt mang điện trong cùng một bó chùm tia chuyển động, làm biến đổi xung lượng ngang thành xung lượng dọc, khiến hạt bị lệch quỹ đạo và va chạm vào thành ống chân không. Tốc độ tán xạ Touschek tỷ lệ thuận với bình phương mật độ hạt trong bó và tỷ lệ nghịch với năng lượng chùm tia.
• Tán xạ Bhabha phát xạ photon: Tương tác tán xạ giữa electron và positron kèm theo phát bức xạ hãm năng lượng cao ($e^+e^- \to e^+e^-\gamma$). Tia gamma góc hẹp này va chạm vào thành thiết bị và kích hoạt các phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, n)$ tạo ra chùm neutron thứ cấp.
• Tán xạ chùm tia với khí dư (Beam-gas): Tán xạ Coulomb và bức xạ hãm của chùm hạt với các phân tử khí dư như hydro và carbon monoxide tồn tại trong đường ống ở áp suất khoảng $10^{-7}\text{ Pa}$.

Các neutron tự do sinh ra từ các quá trình trên tương tác với cấu trúc bán dẫn CMOS và vi mạch FPGA trên hệ bảng mạch của detector CDC thông qua hai cơ chế chính: sự phá hủy dịch chuyển mạng tinh thể (displacement damage) và hiệu ứng liều ion hóa tích lũy (Total Ionizing Dose - TID).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô phỏng từ cấu hình máy gia tốc SuperKEKB với chùm tia electron 7 GeV tại vòng năng lượng cao (HER) và chùm positron 4 GeV tại vòng năng lượng thấp (LER), va chạm chéo nhau ở góc 41 mrad. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng triệu sự kiện tán xạ hạt được lấy mẫu ngẫu nhiên theo phương pháp Monte Carlo phân bố không gian và động lượng, mô phỏng tương đương thời gian vận hành liên tục trong 1 năm của tổ hợp máy gia tốc.

Phương pháp phân tích dựa trên khung phần mềm chuyên dụng Basf2 (Belle II Analysis Framework) tích hợp công cụ mô phỏng tương tác hạt Geant4. Các mô-đun chuyên biệt như BBBrem được sử dụng để phát sinh sự kiện bức xạ Bhabha, trong khi phần mềm SAD (Strategic Accelerator Design) tính toán quỹ đạo các hạt lệch chùm do hiệu ứng Touschek và tán xạ khí dư. Lý do lựa chọn tổ hợp phần mềm Basf2 và Geant4 là khả năng tái hiện chi tiết hình học 3D phức tạp của toàn bộ 51.456 sợi dây điện cực và các khối vật liệu che chắn trong buồng CDC, cho phép theo dõi vết (tracking) của từng hạt neutron từ vị trí sinh ra cho đến khi truyền năng lượng vào bảng mạch. Toàn bộ chuỗi tính toán và phân tích dữ liệu được hoàn thành theo mốc thời gian từ tháng 6 năm 2013 đến đầu năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích dữ liệu trên phần mềm Basf2 đã mang lại bốn phát hiện quan trọng:

• Phân bố thông lượng neutron trên hệ bảng mạch: Mật độ neutron tập trung cao nhất tại các khu vực rìa ngoài và nắp đầu cuối (End-Cap) của detector CDC. Tổng thông lượng neutron chiếu xạ lên hệ thống bảng mạch Front-End trong 1 năm vận hành vượt mức $10^{11} \text{ neutron/cm}^2$, gây nguy cơ cao dẫn đến các sự cố lật bit dữ liệu (Single Event Upset) trong vi mạch FPGA.
• Nguồn gốc phát sinh hạt neutron: Bức xạ Bhabha và hiệu ứng Touschek là hai tác nhân chủ yếu, đóng góp tới hơn 85% tổng lượng neutron sinh ra trong toàn bộ hệ thống. Trong đó, các photon năng lượng cao từ bức xạ Bhabha va đập vào bề mặt các nam châm siêu dẫn hội tụ cuối (Final Focusing Magnets) là điểm phát xạ quang neutron lớn nhất.
• Tốc độ đếm phông (Hit rate) trong buồng trôi: Mức độ chiếm dụng tín hiệu (occupancy) của detector CDC tăng khoảng 15 đến 20 lần so với thí nghiệm Belle trước đây. Với 14.336 kênh đọc tín hiệu, sự gia tăng này có thể làm giảm hiệu suất tái tạo quỹ đạo hạt tích điện nếu không có biện pháp triệt tiêu phông nền.
• Hiệu quả của vật liệu suy giảm bức xạ: Việc thử nghiệm các cấu hình vật liệu khác nhau cho thấy các hợp chất giàu hydro kết hợp nguyên tố có tiết diện bắt neutron lớn có khả năng giảm từ 60% đến hơn 70% mật độ dòng neutron truyền tới khu vực bảng mạch điện tử 48 kênh.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng đột biến của thông lượng neutron bắt nguồn từ việc kích thước bó hạt theo phương đứng tại điểm tương tác bị thu hẹp 20 lần kết hợp cùng cường độ dòng điện chùm tia tăng gấp 2 lần (đạt 3,6 A ở vòng LER và 2,6 A ở vòng HER). Mật độ hạt dày đặc làm tăng xác suất va chạm nội bó Touschek và bức xạ Bhabha theo hàm mũ.

Dữ liệu mô phỏng được trực quan hóa sinh động thông qua các bản đồ nhiệt 3D thể hiện mật độ phân bố hạt trong không gian buồng trôi và các biểu đồ phân bố năng lượng neutron theo trục dọc z. Các bảng số liệu so sánh thông lượng neutron trước và sau khi bổ sung các lớp vật liệu che chắn đã định lượng chính xác độ suy giảm liều chiếu, cho thấy dạng suy giảm hàm mũ theo bề dày lớp chắn.

Khi so sánh với các nghiên cứu phông bức xạ tại máy gia tốc LHCb thuộc CERN, kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương thích về mặt quy luật phân bố quang neutron trong các tương tác va chạm lepton năng lượng cao. Ý nghĩa thực tiễn của phát hiện này là cung cấp cơ sở dữ liệu vật lý chính xác để các kỹ sư thiết kế lại vỏ bọc cơ khí và tối ưu hóa hệ thống làm mát cho detector trước thời điểm lắp đặt thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm bảo vệ hệ thống thiết bị và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu thực nghiệm, luận văn đưa ra bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể:

• Lắp đặt hệ thống tấm chắn polyetylen borat hóa: Tiến hành chế tạo và lắp ráp các tấm chắn polyetylen chứa 5% nguyên tố Bo với độ dày từ 5 cm đến 10 cm bao bọc trực tiếp quanh cụm bảng mạch Front-End của detector CDC. Mục tiêu nhằm làm chậm và hấp thụ neutron nhiệt, giảm 65% đến 75% thông lượng neutron tại các vi mạch nhạy cảm trong vòng 6 tháng trước khi đóng nắp buồng đo. Đơn vị thực hiện: Nhóm kỹ thuật cơ khí KEK phối hợp cùng nhóm nghiên cứu Belle II Việt Nam.
• Bổ sung lớp chắn chì tại vùng tương tác và nam châm hội tụ: Bố trí các khối chì tiêu chuẩn có bề dày 2 cm đến 4 cm tại các vị trí chùm tia lệch va đập nhiều nhất gần ống va chạm beryllium nhằm hấp thụ tia gamma cứng, cắt đứt phản ứng $(\gamma, n)$ ngay tại nguồn phát trong quý I năm 2015. Chủ thể thực hiện: Bộ phận An toàn Bức xạ SuperKEKB.
• Nâng cấp firmware và thiết kế dự phòng trên chip FPGA: Triển khai kiến trúc dự phòng bộ ba mô-đun (Triple Modular Redundancy - TMR) trên toàn bộ 14.336 kênh xử lý số liệu của bảng mạch để tự động sửa lỗi lật bit nhớ do neutron gây ra, hoàn thành quy trình nạp và kiểm tra code mô phỏng trong vòng 90 ngày. Đơn vị phụ trách: Nhóm Kỹ thuật Điện tử CDC.
• Tăng cường kiểm soát độ chân không đường ống dẫn chùm: Duy trì áp suất buồng chân không ở mức dưới $10^{-7}\text{ Pa}$ thông qua hệ thống bơm hút ion định kỳ, giảm thiểu 30% lượng hạt tán xạ với khí dư CO và H2 trước mỗi chu kỳ vận hành máy gia tốc. Trách nhiệm thực hiện: Ban Quản lý Vận hành Máy gia tốc KEK.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng sâu rộng cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Nhà nghiên cứu và chuyên gia vật lý năng lượng cao: Cung cấp bức tranh toàn diện về phương pháp mô phỏng phông bức xạ trên các máy gia tốc thế hệ mới, ứng dụng hiệu quả khung phần mềm Basf2 kết hợp Geant4 trong các bài toán phân tích va chạm hạt.
• Kỹ sư thiết kế điện tử hạt nhân và hệ thống đo lường: Tiếp cận dữ liệu thực nghiệm về cơ chế phá hủy bức xạ trên linh kiện bán dẫn CMOS và FPGA, làm cơ sở xây dựng tiêu chuẩn kháng bức xạ cho các khối xử lý tín hiệu Front-End trong môi trường khắc nghiệt.
• Giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Vật lý nguyên tử: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên khảo về lý thuyết vi phạm đối xứng CP, ma trận pha trộn quark CKM và nguyên lý vận hành của buồng trôi trung tâm CDC 56 lớp dây.
• Chuyên gia an toàn bức xạ và công nghệ vật liệu che chắn: Khai thác các mô hình tính toán tán xạ neutron và giải pháp kết hợp vật liệu composite borat hóa để ứng dụng trong che chắn an toàn cho các lò phản ứng nghiên cứu và thiết bị xạ trị y tế hạt nhân.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao bức xạ neutron lại gây nguy hiểm nghiêm trọng cho hệ điện tử của detector CDC?
Neutron là hạt trung hòa điện tích nên có khả năng đâm xuyên sâu vào cấu trúc bán dẫn. Khi va chạm với mạng tinh thể silicon, neutron gây ra hiện tượng dịch chuyển nguyên tử (displacement damage) và tạo ra các xung điện tích tức thời dẫn đến lỗi lật bit bộ nhớ (Single Event Upset) trong vi mạch FPGA, đe dọa làm tê liệt 14.336 kênh đọc tín hiệu.

Nguồn gốc chính sinh ra neutron trong thí nghiệm Belle II là gì?
Neutron chủ yếu sinh ra từ các phản ứng quang hạt nhân $(\gamma, n)$ khi tia gamma năng lượng cao phát ra từ quá trình tán xạ Bhabha và bức xạ hãm va chạm với thành ống chùm tia hoặc khối nam châm kim loại nặng, cùng với sự phân rã của các hạt thứ cấp sau tán xạ Touschek.

Đặc điểm cấu tạo nổi bật của detector CDC trong Belle II là gì?
Detector CDC sử dụng hỗn hợp khí gồm 50% Heli và 50% Ethane ($C_2H_6$), bao gồm 51.456 sợi dây điện cực chia thành 56 lớp và 9 siêu lớp sắp xếp đan xen giữa phương dọc và phương nghiêng (AUAVAUAVA), giúp đo đạc chính xác quỹ đạo hạt tích điện và phân biệt loại hạt qua độ suy giảm năng lượng.

Làm thế nào để mô phỏng chính xác phông chùm tia trong phần mềm Basf2?
Hệ thống Basf2 kết hợp các mô-đun sinh sự kiện như BBBrem cho bức xạ Bhabha, SAD cho hiệu ứng Touschek và tán xạ khí dư, sau đó truyền thông tin vị trí và động lượng hạt vào nhân Geant4 để mô phỏng tương tác vật lý chi tiết của từng hạt xuyên qua các lớp vật liệu của máy dò.

Giải pháp che chắn nào đem lại hiệu quả giảm phông neutron tối ưu nhất?
Sự kết hợp giữa vật liệu polyetylen borat hóa chứa 5% Bo có bề dày 5 đến 10 cm để làm chậm và hấp thụ neutron nhiệt, cùng với các tấm chì dày 2 đến 4 cm để hấp thụ bức xạ gamma sơ cấp, giúp giảm hơn 70% thông lượng hạt bức xạ đến bảng mạch điện tử.

Kết luận

• Luận văn đã đánh giá toàn diện cơ chế phát sinh và mức độ gia tăng từ 10 đến 20 lần của phông chùm tia trong thí nghiệm Belle II khi nâng cấp độ sáng lên mức $8 \times 10^{35} \text{ cm}^{-2}\text{s}^{-1}$.
• Xác định định lượng thông lượng neutron và tác động phá hủy bức xạ lên hệ thống 14.336 kênh điện tử Front-End của buồng trôi trung tâm CDC.
• Ứng dụng thành công hệ công cụ mô phỏng Basf2 kết hợp Geant4 để tái hiện không gian tương tác bức xạ phức tạp trong cấu trúc máy gia tốc SuperKEKB.
• Đề xuất phương án thiết kế hình học che chắn đa tầng bằng polyetylen borat hóa và chì, giúp suy giảm hơn 70% mật độ neutron tại vị trí linh kiện nhạy cảm.
• Khẳng định năng lực hội nhập khoa học quốc tế của đội ngũ vật lý năng lượng cao Việt Nam trong việc đóng góp trực tiếp vào các dự án nghiên cứu hạt nhân hàng đầu thế giới.

Bước tiếp theo của hướng nghiên cứu là tiến hành đo đạc đối chứng thực tế khi chùm tia SuperKEKB chính thức hoạt động trong giai đoạn 2015-2016 nhằm tinh chỉnh mô hình mô phỏng. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm có thể ứng dụng khung phương pháp luận của đề tài để phát triển các cấu trúc cảm biến bức xạ tiên tiến trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.