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.