ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN Đồng Văn Thanh NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NEUTRON LÊN DETECTOR CDC
TRONG THÍ NGHIỆM BELLE 2
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NEUTRON LÊN DETECTOR CDC
TRONG THÍ NGHIỆM BELLE 2
Chuyên nghành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.Trần Ngọc Tiềm
Hà Nội – 2014
LỜI CẢM ƠN
1.1.2.1 Vi Phạm đối xứng C, P và CP 13
1.1.2.2 Vi pham đối xứng CP trong hệ Kaon 15
1.1.2.3 Pha trộn quark và ma trận CKM 17
1.1.2.4 Vi Phạm CP trong hệ B 20
1.2 Máy gia tốc SuperKEKB 24
1.2.1 Máy gia tốc SuperKEKB 24
1.2.2 Luminosity của máy gia tốc SuperKEKB 26
1.3 Detector Belle II 28
Chương 2 - PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA TRONG THÍ NGHIỆM
BELLE II 36
2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra. 36
2.2 Bức xạ Synchroton 37
2.3 Hiệu ứng Touschek 37
2.3.1 Định nghĩa. 37
2.3.2 Tốc độ của hiệu ứng Touschek 39
2.4 Tán xạ Bhabha 41
2.4.1. Tán xạ Bhabha 41
2.4.2 Tiết diện tán xạ Bhabha 42
2.5 Tán xạ với không khí. 42
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Đồng Văn Thanh - 2 –
2.5.1 Tán xạ Coulomb 43
2.5.2 Phát bức xạ hãm 43
2.5.3. Tốc độ tán xạ chùm tia không khí 44
Chương 3 - ẢNH HƯỞNG CỦA PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA LÊN
DETECTOR CDC 46
Đồng Văn Thanh - 3 –
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các kênh có thể quan sát trên thí nghiệm Belle và Belle II, sai số và
so sánh với LHCb [1]………………………………………… 10
Bảng 1.2 Các nghiên cứu về vật lý B
s
và Vật lý quark Charm trên Belle II, so
sánh với Belle và LHCb [1]………………………………… 11
Bảng 1.3 Các thông số chùm tia và Luminosity của máy gia tốc KEKB và
SuperKEKB…………………………………………………… 27
Bảng 4.1 Thông số các loại vật liệu sử dụng che chắn neutron………… 69
-
29
Hình 1.9 Detector Belle II 29
Hình 1.10a Hình ảnh detector Vertex; b, nguyên lý xác định vị trí phân rã của
B meson. 30
Hình 1.11 Detector Pixel 30
Hình 1.12 Detector DSSD. a, Hình dạng của detector; b, Nguyên lý của
detector DSSD 31
Hình 1.13 Detector CDC 32
Hình 1.14 Bảng mạch của Detector CDC; 1.9a là sơ đồ nguyên lý. 1.9b là một
bảng mạch đã được chế tạo. 33
Hình 1.15 Detector PID 34
Hình 1.16 Detector ECL 34
Hình 1.17 Detector KLM 35
Hình 2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra 36
Hình 2.2 Bức xạ synchrotron 37
Hình 2.3 Hiệu ứng Touschek 38
Hình 2.4 Kết quả mô phỏng hiệu ứng touchek (3 sự kiện) 38
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Đồng Văn Thanh - 5 –
Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào bề rộng của bó hạt. 40
Hình 2.6 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào chiều dài của bó hạt.
40
Hình 2.7 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào năng lượng của chùm
tia. 40
Hình 2.8 Một sự kiện tán xạ Bhabha 41
Hình 4.4 Sơ đồ xử lý dữ liệu sử dụng module CDCBKg 66
Hình 4.5 Nguồn gốc của neutron ảnh hưởng đến bảng mạch của detector CDC
68
Hình 4.6 Sơ đồ detector Belle II. 69
Hình 4.6 Hình học che chắn cho hệ các bảng mạch. 70
Hình 4.7 Kết quả thông lượng neutron trên các bảng mạch sau khi che chắn
bằng các vật liệu khác nhau 71
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Đồng Văn Thanh - 8 –
MỞ ĐẦU
Các quy luật chính của vũ trụ là gì? Quy luật nào chi phối tương tác giữa
chúng? Đó là các câu hỏi mà các nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm về vật lý
hạt cơ bản đã và đang miệt mài nghiên cứu để tìm câu trả lời trong suốt thế kỷ
qua, và trong khoảng 30 năm qua họ đã xây dựng nên mô hình chuẩn của các
hạt nguyên tố[11]. Tuy nhiên vẫn còn nhiều điều mà mô hình chuẩn chưa
hoàn toàn thỏa mãn. Vì thế hiện nay các nhà vật lý thực nghiệm vẫn đang
ngày đêm miệt mài thực hiện các thí nghiệm trong lĩnh vực hạt cơ bản để tìm
ra các bí ẩn chưa được phát hiện và kiểm chứng một số lý thuyết trong mô
hình chuẩn.
Trong số những thí nghiệm tiên phong của vật lý hạt cơ bản ta phải kể
đến thí nghiệm Belle ở trung tâm nghiên cứu vật lý năng lượng cao nhật bản
(KEK). Thí nghiệm này được thực hiện bởi hơn 400 nhà khoa học và kĩ sư
đến từ nhiều quốc gia khác nhau. Mục đích chính của thí nghiệm Belle là
nghiên cứu vi phạm đối xứng CP và các quá trình vật lý liên quan đến meson
B. Thí nghiệm Belle kết thúc năm 2010 để nâng cấp lên thành thí nghiệm
Belle II với Luminosity cao hơn 40 lần với mục tiêu nghiên cứu các quá trình
vật lý cần thống kê lớn như là các phân rã hiếm.
Thí nghiệm Belle II với Luminosity cao sẽ dẫn đến phông do chùm tia
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Đồng Văn Thanh - 10 –
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.
1.1 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
, D
0
, …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
thuộc thời gian trong phân rã
0
0
0
/)(
s
KJBB
[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 Φ
1
của tam giác unitarity ở mức 10% qua phân rã bất đối xứng phụ
thuộc thời gian
00
/
s
KJB
llXB
s
cũng được quan sát. Hơn
nữa gần đây sự không thống nhất khi quan sát góc Φ
1
trong quá trình penguin
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Đồng Văn Thanh - 12 –
Bảng 1.1 : Các kênh có thể quan sát trên thí nghiệm Belle và Belle II, sai
số và so sánh với LHCb[4]
0
s
KB
và giá trị chính xác trong
00
/
s
KJB
dẫn đến đề xuất tồn tại quá
trình vật lý mới trong phân rã
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
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Đồng Văn Thanh - 14 –
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 <J
Co
.P
Đồng Văn Thanh - 15 –
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.
LL
C
(1.2)
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.
RL
CP
(1.3)
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.H. Chrisrenson,
J.W.Cronin, V.LFitch và R.Turlay đã phát hiện ra đối xứng CP bị vi phạm
trong phân rã của Kaon trung hòa[12].
1.1.2.2 Vi pham đối xứng CP trong hệ Kaon
Meson K
0
và phản hạt của nó
0
K
K
K
(1.4)
Trạng thái riêng CP của K
1
0
và K
2
0
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 K
0
và phản hạt của nó
0
K
là trạng
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Đồng Văn Thanh - 16 –
thái riêng của số lạ nhưng không phải là trạng thái riêng của CP. Ta có thể
thấy như sau:
00
2
2
1
KKK
(1.6)
Nghĩa là :
0
1
0
1
KKCP
và
0
2
0
2
KKCP Khi khảo sát phân rã của hai trạng thái riêng này theo kênh 2π và 3π ta
thấy CP(π,π) =+1 và CP(π,π,π) = -1 như vậy trong phân rã tương tác yếu bảo
toàn CP thì trạng thái riêng K
1
0
phải phân rã thành 2π và trạng thái riêng K
0
2
1
và hạt K
2
sẽ có kiểu phân rã khác nhau, tuy
nhiên trong thí nghiệm được thực hiện năm 1964[12] khi quan sát việc phân
rã của chùm Kaon trung hòa, với detector được đặt cách vị trí tạo ra chùm tia
một khoảng xa đủ để các hạt K
1
thời gian sống ngắn phân rã hết, người ta đã
quan sát thấy một số hạt K
2
phân rã thành 2pion như hạt K
1
, để giải thích hiện
tượng này người ta đưa ra giả thuyết các hạt K
s
và K
L
là sự pha trộn của K
1
và
K
2.
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Đồng Văn Thanh - 17 –
(1.7)
Với
là tham số phức rất nhỏ, xác định mức độ vi phạm đối xứng CP
sinh ra bởi pha trộn trạng thái Kaon. Vi phạm CP được biểu diễn theo tỉ số
biên độ như sau [12]:
)exp(
0
0
i
KT
KT
s
L
và
)exp(
0000
000
000
00
2
1
(1.9)
Giá trị thực nghiệm cho thấy
3
10)014.0284.2(
.
Vi phạm đối xứng CP cũng được phát hiện trong hệ Kaon ở kênh phân rã
bán lepton theo hai kênh phân rã có CP khác nhau như sau:
e
e
L
e
e
Quark
d
u
quark (d,s,b) được thay bằng (d
’
,s
’
,b
’
). Trong đó (d
’
,s
’
,b
’
) là tổ hợp của các
quark d,s,b.
Khi đề xuất ra ý tưởng này ở giai đoạn đầu thì các nhà khoa học chỉ mới
phát hiện được 3 quark là u,d,s. Trong trạng thái riêng tương tác yếu thì chúng
được tổ hợp từ hai trạng thái riêng tương tác mạnh là d và s, và ghép chúng
vào một bộ đôi :
CC
sd
u
d
u
sincos
'
và
s
d
s
d
CC
CC
cossin
sincos
'
'
Bởi vì vi phạm đối xứng CP chỉ xảy ra khi ma trận pha trộn là phức.
Điều này hoàn toàn không thể với mà trận 2x2 ở trên. Các phần tử đều là thực.
vì thế đến năm 1973 Kobayashi và Maskawa đã đề xuất đưa thêm một thế hệ
quark thứ 3 vào. Ma trận pha trộn quark được biểu diễn như sau :
s
d
VVV
VVV
VVV
b
s
d
tbtstd
cbcscd
ubusud
'
'
'
Trong đó các phần tử ma trận thể hiện liên kết giữa các quark. Ví dụ V
ud
(=cosθ
C
) thể hiện liên kết quark u và d trong chuyễn dời
Wud
được
tính dựa vào việc so sánh tốc độ phân rã beta của hạt nhân và của muyon. V
us
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
4
23
22
32
AiA
A
iA
V
Trong đó : λ = sinθ
c
Hình 1.1 Tam giác unitary db
1.1.2.4 Vi Phạm CP trong hệ B
Như đã nói ở trên tam giác unitary db liên quan đến các dịch chuyển của
các quark d và b về các quark khác. Vì thế việc nghiện cứu vi phạm CP trong
hệ B meson (được cấu tạo từ quark b) là vô cùng quan trọng.
Meson B được phát hiện năm 1980 ở CESR (USA) [12]. Meson B được
cấu tạo từ quark b (quark bottom) và một quark khác như u, d, b, s, t, c. Tuy
nhiên lượng meson tạo bởi quark b và t (top) được tạo ra còn rất ít, có hai loại
meson B là meson B trung hòa gồm:
)(
0
bsB
s
và
)(
0
bdB
d
. Meson B tích điện
như :
)( buB
và
)( bcB
c
.
Meson B trong thực nghiệm được tạo ra bằng cách tạo ra hạt upsilon
nghiên cứu dựa vào sự khác nhau trong tốc độ phân rã của hai trạng thái về
cùng một trạng thái :
fBRfBR
0
0
Từ sự khác biệt này ta có thể xác định được mức độ vi phạm CP và qua
đó ta xác định một số đặc trưng của tam giác unitary db.
Hệ Meson B trung hòa và dao động
00
B
B
Việc biến đổi của một meson trung hòa thành phản hạt của nó và ngược
lại được gọi là sự dao động hay là sự pha trộn. Dao động của meson trung hòa
lần đầu tiên được đề xuất bởi Gell-Mann và Pais vào năm 1955 cho hệ kaon
trung hòa,
0
0
K
K
[5]. Ngay sau đó hai trạng thái riêng của tương tác yếu là
K
s
B
.
Việc biến đổi của hệ theo thời gian được đưa ra bằng phương trình
Schrodinger như sau:
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Đồng Văn Thanh - 22 –
=Γ
22
Nghĩa là B
0
và phản hạt của nó có cùng khối lượng và thời gian phân rã.
Nhưng các phần tử không thuộc đường chéo thì không bằng không, trạng thái
riêng của tương tác yếu và trạng thái riêng của khối lượng thì khác nhau. Các
trạng thái riêng của khối lượng là chồng chập của các trạng thái riêng tương
tác yếu như sau:
00
BqBpB
L
00
BqBpB
H
Trong đo B
L
là trạng thái nhẹ hơn còn B
H
là trạng thái nặng hơn. Và
1
22
qp
. Trạng thái riêng khối lượng phụ thuộc thời gian có dạng như sau:
HHHLLL
BtiMBtiM
p
tB 2/exp2/exp
2
1
)(
0
Sử dụng hàm:
)2/exp()exp()2/exp()exp(
2
1
)( ttiMttiMtg
HHLL
Và khối lượng trung bình, thời gian sống trung bình, sự khác nhau về
khối lượng, sự khác nhau về thời gian sống sau:
Copyright: Tài liệu đại học ©