Luận án Tiến sĩ: Khối lượng các hạt cơ bản trong sơ đồ siêu đối xứng – Trần Minh Hiếu

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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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. Phạm Thúc Tuyền 2. Hà Huy Bằng Phản biện 1: GS.

Đặng Văn Soa Phản biện 2: GS. Nguyễn Viễn Thọ Phản biện 3: GS. 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 Vấn đề phân bậc gauge trong mô hình chuẩn .2 Siêu đối xứng .1 Lời giải cho vấn đề phân bậc gauge .2 Siêu đại số .3 Hình thức luận siêu trường .4 Phá vỡ siêu đối xứng tự phát .3 Mô hình chuẩn siêu đối xứng tối thiểu .1 Cấu trúc hạt .3 Phương trình nhóm tái chuẩn hóa .4 Phá vỡ đối xứng điện-yếu SU(2)L × U(1)Y .5 Phổ khối lượng .4 Nguồn gốc của các số hạng mềm .1 Sự cần thiết mở rộng mô hình MSSM .2 Phá vỡ siêu đối xứng động lực trong phần ẩn .3 Một số cơ chế truyền .5 Kết luận chương 1.

44 iii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chương 2 PHỔ KHỐI LƯỢNG TRONG MÔ HÌNH SU(5) SIÊU ĐỐI XỨNG VỚI CƠ CHẾ TRUYỀN GAUGINO 45 2.1 Cơ chế truyền gaugino .2 Vấn đề τ̃ -LSP trong các mô hình siêu đối xứng với cơ chế truyền gaugino .3 Mô hình thống nhất lớn siêu đối xứng SU(5) .4 Phổ khối lượng của mô hình thống nhất lớn siêu đối xứng SU(5) 53 2.1 Lời giải cho vấn đề τ̃ -LSP .2 Khối lượng của các sfermion .3 Khối lượng của các hạt trong gauge-Higgs sector .5 Kết luận chương 2. 62 Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT CÁC MÔ HÌNH THỐNG NHẤT LỚN SIÊU ĐỐI XỨNG VỚI CƠ CHẾ TRUYỀN GAUGINO 63 3.1 Các mô hình nghiên cứu .2 Những ràng buộc hiện tượng luận .3 Dấu hiệu nhận biết mô hình thống nhất lớn .4 Kết luận chương 3. 74 Chương 4 PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT CÁC MÔ HÌNH PHÁ VỠ SIÊU ĐỐI XỨNG TRONG MÁY VA CHẠM TUYẾN TÍNH 76 4.1 Các mô hình nghiên cứu .2 Ưu điểm của máy va chạm tuyến tính e+ e− .3 Tín hiệu siêu đối xứng từ các quá trình đơn photon .4 Nhận biết mô hình phá vỡ siêu đối xứng từ tín hiệu đơn photon 87 4.5 Kết luận chương 4. 95 KẾT LUẬN 96 Danh mục các công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án 98 iv TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Danh mục các bảng Bảng 1.1: Siêu đối xứng hóa mô hình chuẩn .2: Cấu trúc hạt của mô hình chuẩn .3: Cấu trúc hạt của mô hình MSSM .4: R-charge của các trường thành phần .1: Cấu trúc hạt của mô hình thống nhất lớn SU(5) tối thiểu.1: Cấu trúc hạt của mô hình thống nhất lớn SO(10) đơn giản.2: Phổ khối lượng và các ràng buộc khi m1/2 = 500 GeV .3: Phổ khối lượng và các ràng buộc khi m1/2 = 800 GeV .1: Tín hiệu và nhiễu của các quá trình đơn photon tương ứng với tất cả các tổ hợp phân cực khả dĩ.

92 vii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 .2: Bổ chính vòng cho hàm truyền của Higgs trong mô hình chuẩn siêu đối xứng gây bởi fermion f và vô hướng f˜ .3: Cấu trúc của mô hình phá vỡ siêu đối xứng .1: Minh họa cơ chế truyền gaugino .2: So sánh khối lượng τ̃ nhẹ và χ̃01 trong mô hình MSSM .3: Sự tiến hóa của các hằng số tương tác chuẩn trong mô hình SU(5) .4: Sự phụ thuộc của khối lượng τ̃ và χ̃01 vào Mc trong mô hình SU(5) .5: Sự phụ thuộc của khối lượng τ̃ và χ̃01 vào tan β trong mô hình SU(5) .6: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng sparticle trong hai thế hệ đầu .7: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng sparticle trong thế hệ thứ ba .8: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng các neutralino .9: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng gluino và chargino .10: Sự phụ thuộc tham số của khối lượng các hạt Higgs .1: Khối lượng chạy của các sfermion trong hai thế hệ đầu .2: Thang compact hóa được biểu diễn như là hàm của tan β với m1/2 = 500 GeV và 800 GeV. 70 viii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3: BR(b → sγ) được biểu diễn như là hàm của tan β với m1/2 = 500 GeV và 800 GeV .4: Hiệu khối lượng δm = mSO(10) − mSU (5) giữa các selec- tron/muon .1: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e+ + e− → γ + χ̃01 + χ̃01 .2: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e+ + e− → γ + ν̃e + ν̃e∗ .3: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e + e → + − γ + ν̃µ + ν̃µ∗ .4: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e+ + e− → γ + νe + ν̄e .5: Các giản đồ Feynman tương ứng với quá trình e+ + e− → γ + νµ + ν̄µ .6: Sự tiến hóa của khối lượng mềm trong thế hệ đầu .7: Phân bố theo năng lượng photon của tiết diện tán xạ tương ứng với tất cả các tổ hợp phân cực .8: Phân bố theo cos(θγ ) của tiết diện tán xạ tương ứng với tất cả các tổ hợp phân cực .9: Tiết diện tán xạ vi phân tương tứng với các chùm e+ e− phân cực một phần .1: Thuật toán lặp của chương trình SOFTSUSY. 114 ix TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Sau phát hiện về sự tồn tại của dòng yếu trung hòa (neutral weak current) gây bởi sự trao đổi Z boson ở CERN năm 1973 [72, 73, 74], lý thuyết điện-yếu đã được chấp nhận một cách rộng rãi và Glashow, Weinberg, Salam đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1979. Lý thuyết cho tương tác mạnh được xây dựng bởi nhiều công trình, đặc biệt là những đóng góp trong các năm 1973-1974, khi mà thực nghiệm khẳng định rằng hadron được cấu tạo từ các quark với điện tích phân số. Vật lý năng lượng cao đã có những thành công đáng kể khi xây dựng được mô hình chuẩn khá phù hợp với thực nghiệm cho các hạt cơ bản (quark, lepton) và tương tác giữa chúng (tương tác mạnh, yếu, điện từ), cũng như cơ chế để sinh khối lượng cho các hạt. Mặc dù vậy, mô hình này vẫn chưa thật hoàn chỉnh [86].

Về mặt thực nghiệm, vẫn tồn tại những quan sát mà mô hình chuẩn chưa thể lý giải thích được: • Lực hấp dẫn: Mô hình chuẩn chưa có một lý giải nào về lực hấp dẫn, một tương tác phổ quát của tự nhiên. Thêm vào đó, nó còn tỏ ra không phù hợp với lý thuyết tương đối rộng. • Vật chất tối và năng lượng tối: Những quan sát vũ trụ học cho thấy rằng mô hình chuẩn chỉ có thể giải thích được khoảng 4% lượng vật chất trong vũ trụ.