Luận án Về khối lượng các hạt cơ bản trong sơ đồ siêu đối xứng

Nội dung tài liệu: Luận án Về khối lượng các hạt cơ bản trong sơ đồ siêu đối xứng

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------------------- Trần Minh Hiếu VỀ KHỐI LƯỢNG CÁC HẠT CƠ BẢN TRONG SƠ ĐỒ SIÊU ĐỐI XỨNG Chuyên ngành: Vật Lý Lý thuyết và Vật Lý toán Mã số: 62 44 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2012
2. Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Vật lý Lý thuyết-Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Phạm Thúc Tuyền 2. PGS. TS. Hà Huy Bằng Phản biện 1: GS. TS. Đặng Văn Soa Phản biện 2: GS. TSKH. Nguyễn Viễn Thọ Phản biện 3: GS. TSKH. Nguyễn Ái Việt Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Nhà nước chấm luận án tiến sĩ họp tại Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội. vào hồi 14 giờ 30 ngày 19 tháng 03 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội
3. Mục lục Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt vi Danh mục các bảng vii Danh mục các hình vẽ và đồ thị viii MỞ ĐẦU 1 Chương 1 MÔ HÌNH CHUẨN SIÊU ĐỐI XỨNG 12 1.1 Vấnđềphânbậcgaugetrongmôhìnhchuẩn . . . . . . . . . . . 12 1.2 Siêuđốixứng ............................ 14 1.2.1 Lờigiảichovấnđềphânbậcgauge . . . . . . . . . . . . 14 1.2.2 Siêuđạisố.......................... 15 1.2.3 Hìnhthứcluậnsiêutrường. . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.4 Phávỡsiêuđốixứngtựphát . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3 Mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.1 Cấutrúchạt ........................ 23 1.3.2 Lagrangian ......................... 26 1.3.3 Phươngtrìnhnhómtáichuẩnhóa . . . . . . . . . . . . . 31 1.3.4 Phá vỡ đối xứng điện-yếu SU(2) U(1) ........ 35 L × Y 1.3.5 Phổkhốilượng ....................... 37 1.4 Nguồngốccủacácsốhạngmềm . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.4.1 Sự cần thiết mở rộng mô hình MSSM . . . . . . . . . . . 40 1.4.2 Phá vỡ siêu đối xứng động lực trong phần ẩn . . . . . . 42 1.4.3 Mộtsốcơchếtruyền . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . 43 1.5 Kếtluậnchương1 ......................... 44 iii
4. Chương 2 PHỔ KHỐI LƯỢNG TRONG MÔ HÌNH SU(5) SIÊU ĐỐI XỨNG VỚI CƠ CHẾ TRUYỀN GAUGINO 45 2.1 Cơchếtruyềngaugino . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . 46 2.2 Vấn đề τ˜-LSP trong các mô hình siêu đối xứng với cơ chế truyền gaugino ............................... 47 2.3 Mô hình thống nhất lớn siêu đối xứng SU(5) ........... 50 2.4 Phổ khối lượng của mô hình thống nhất lớn siêu đối xứng SU(5) 53 2.4.1 Lời giải cho vấn đề τ˜-LSP ................. 53 2.4.2 Khốilượngcủacácsfermion . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.4.3 Khối lượng của các hạt trong gauge-Higgs sector . . . . . 58 2.5 Kếtluậnchương2 ......................... 62 Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT CÁC MÔ HÌNH THỐNG NHẤT LỚN SIÊU ĐỐI XỨNG VỚI CƠ CHẾ TRUYỀN GAUGINO 63 3.1 Cácmôhìnhnghiêncứu ...................... 64 3.2 Nhữngràngbuộchiệntượngluận . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3 Dấu hiệu nhận biết mô hình thống nhất lớn . . . . . . . . . . . 67 3.4 Kếtluậnchương3 ......................... 74 Chương 4 PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT CÁC MÔ HÌNH PHÁ VỠ SIÊU ĐỐI XỨNG TRONG MÁY VA CHẠM TUYẾN TÍNH 76 4.1 Cácmôhìnhnghiêncứu ...................... 77 + 4.2 Ưu điểm của máy va chạm tuyến tính e e− ............ 78 4.3 Tín hiệu siêu đối xứng từ các quá trình đơn photon . . . . . . . 80 4.4 Nhận biết mô hình phá vỡ siêu đối xứng từ tín hiệu đơn photon 87 4.5 Kếtluậnchương4 ......................... 95 KẾT LUẬN 96 Danh mục các công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án 98 iv
5. Tài liệu tham khảo 100 Phụ lục A SOFTSUSY 113 Phụ lục B MicrOMEGAs 116 Phụ lục C GRACE 118 Phụ lục D CÁC FILE MÔ HÌNH 120 v
6. Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt B : Số baryon BR : Tỷ số phân nhánh (branching ratio) CMSSM : Mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu bị ràng buộc FCNC : Dòng trung hòa thay đổi hương vị GinoSU5 : Mô hình thống nhất lớn SU(5) với cơ chế truyền gaugino GUT : Lý thuyết thống nhất lớn (grand unified theory) ILC : Máy va chạm tuyến tính quốc tếs L : Số lepton LHC : Máy va chạm hadron lớn LSP : Hạt siêu đồng hành nhẹ nhất MGUT : Thang năng lượng thống nhất lớn Mc : Thang năng lượng compact hóa MP : Thang năng lượng Planck mSUGRA : Mô hình siêu hấp dẫn tối thiểu MSSM : Mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu SUSY : Siêu đối xứng (supersymmtry) UV : Vùng tần số/xung lượng rất lớn (ultra-violet) WMAP : Wilkinson Microwave Anisotropy Probe vi
7. Danh mục các bảng Bảng 1.1: Siêu đối xứng hóa mô hình chuẩn . . . . . . . . . . . . . 23 Bảng1.2: Cấutrúchạtcủamôhìnhchuẩn . . . . . . . . . . . . . . 24 Bảng1.3: CấutrúchạtcủamôhìnhMSSM . . . . . . . . . . . . . 25 Bảng1.4: R-chargecủacáctrườngthànhphần. . . . . . . . . . . . 27 Bảng 2.1: Cấu trúc hạt của mô hình thống nhất lớn SU(5) tối thiểu. 50 Bảng 3.1: Cấu trúc hạt của mô hình thống nhất lớn SO(10) đơn giản. 65 Bảng 3.2: Phổ khối lượng và các ràng buộc khi m1/2 = 500 GeV .. 71 Bảng 3.3: Phổ khối lượng và các ràng buộc khi m1/2 = 800 GeV .. 72 Bảng 4.1: Tín hiệu và nhiễu của các quá trình đơn photon tương ứngvớitấtcảcáctổhợpphâncựckhảdĩ . . . . . . . . . . . . 92 vii
8. Danh mục các hình vẽ và đồ thị Hình 1.1: Bổ chính vòng cho hàm truyền của Higgs trong mô hình chuẩn gây bởi fermion f ...................... 13 Hình 1.2: Bổ chính vòng cho hàm truyền của Higgs trong mô hình chuẩn siêu đối xứng gây bởi fermion f và vô hướng f˜ ...... 14 Hình 1.3: Cấu trúc của mô hình phá vỡ siêu đối xứng . . . . . . . . 41 Hình 2.1: Minh họa cơ chế truyền gaugino . . . . . . . . . . . . . . 46 0 Hình 2.2: So sánh khối lượng τ˜ nhẹ và χ˜1 trong mô hình MSSM . . 49 Hình 2.3: Sự tiến hóa của các hằng số tương tác chuẩn trong mô hình SU(5) ............................. 52 0 Hình 2.4: Sự phụ thuộc của khối lượng τ˜ và χ˜1 vào Mc trong mô hình SU(5) ............................. 53 0 Hình 2.5: Sự phụ thuộc của khối lượng τ˜ và χ˜1 vào tan β trong mô hình SU(5) ............................. 54 Hình 2.6: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng sparticle trong hai thếhệđầu.............................. 56 Hình 2.7: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng sparticle trong thế hệthứba .............................. 57 Hình 2.8: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng các neutralino . . . 59 Hình 2.9: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng gluino và chargino. 60 Hình 2.10: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng các hạt Higgs . . . 61 Hình 3.1: Khối lượng chạy của các sfermion trong hai thế hệ đầu .. 69 Hình 3.2: Thang compact hóa được biểu diễn như là hàm của tan β với m1/2 = 500 GeVvà800GeV.................. 70 viii
9. Hình 3.3: BR(b sγ) được biểu diễn như là hàm của tan β với → m1/2 = 500 GeVvà800GeV .................... 73 Hình 3.4: Hiệu khối lượng δm = mSO(10) mSU(5) giữa các selec- − tron/muon.............................. 74 + Hình 4.1: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e + e− → 0 0 γ +χ ˜1 +χ ˜1.............................. 81 + Hình 4.2: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e + e− → γ +˜νe +˜νe∗. ............................. 82 + Hình 4.3: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e + e− → γ +˜νµ +˜νµ∗.............................. 83 + Hình 4.4: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e + e− → γ + νe +¯νe. ............................. 84 + Hình 4.5: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e + e− → γ + νµ +¯νµ.............................. 85 Hình 4.6: Sự tiến hóa của khối lượng mềm trong thế hệ đầu . . . . 88 Hình 4.7: Phân bố theo năng lượng photon của tiết diện tán xạ tươngứngvớitấtcảcáctổhợpphâncực . . . . . . . . . . . . . 90 Hình 4.8: Phân bố theo cos(θγ) của tiết diện tán xạ tương ứng với tấtcảcáctổhợpphâncực . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . 91 + Hình 4.9: Tiết diện tán xạ vi phân tương tứng với các chùm e e− phâncựcmộtphần ......................... 94 Hình A.1: Thuật toán lặp của chương trình SOFTSUSY. . . . . . . 114 ix
10. MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Cấu trúc cơ bản nhất của vụ trụ là gì? Đó là một trong những câu hỏi quan trọng mà loài người đã đặt ra từ rất lâu. Để nghiên cứu những viên gạch nhỏ nhất cấu tạo nên thế giới, bắt đầu từ ý tưởng chia nhỏ vật chất trong buổi bình minh của khoa học, người ta đã thấy rằng cần phải thực hiện các thí nghiệm vật lý ở năng lượng cao. Những nghiên cứu về lĩnh vực này hiện nay đang nằm ở biên giới của tri thức của chúng ta về thế giới tự nhiên. Những khám phá mới trong lĩnh vực này sẽ đặt những bước đi đầu tiên trên con đường đầy hứa hẹn, chuẩn bị cho những ứng dụng và phát triển trong tương lai xa. Tuy nhiên, vật lý năng lượng cao lại hé lộ một bức tranh không hề đơn giản của vật chất và các tương tác giữa chúng. Trong suốt những năm 50 và 60 của thế kỷ trước, người ta đã thấy rằng có rất nhiều các hạt mới được tạo ra trong các máy gia tốc, cùng với đó là một loạt các nỗ lực tìm kiếm lời giải đáp về mặt lý thuyết cho sự tồn tại của các hạt này và mối liên quan của chúng với nhau. Những băn khoăn này chỉ được giải quyết sau sự ra đời của mô hình chuẩn (standard model), trong đó sự tồn tại của một số lớn các hạt được giải thích như là tổ hợp của một số tương đối nhỏ các hạt cơ bản. Bước đi đầu tiên hướng đến mô hình chuẩn là khám phá của Sheldon Glashow vào năm 1960 về cách thức để kết hợp tương tác điện từ và tương tác yếu [64]. Năm 1967, Steven Weinberg [124] và Abdus Salam [108] đã kết hợp cơ chế Higgs [49, 76, 69] vào trong lý thuyết của Glashow để có được một lý thuyết điện-yếu như ngày nay. Cơ chế Higgs được cho là nguyên nhân tạo nên khối lượng cho các hạt cơ bản. 1