Luận án tiến sĩ một số hiệu ứng vật lý mới trong mô hình 3 2 2 1 và 3 4 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --------------- DƯƠNG VĂN LỢI MỘT SỐ HIỆU ỨNG VẬT LÝ MỚI TRONG MÔ HÌNH 3 − 2 − 3 − 1 VÀ 3 − 4 − 1 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --------------- DƯƠNG VĂN LỢI MỘT SỐ HIỆU ỨNG VẬT LÝ MỚI TRONG MÔ HÌNH 3 − 2 − 3 − 1 VÀ 3 − 4 − 1 Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số: 62 44 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. HOÀNG NGỌC LONG HÀ NỘI - 2018 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn GS. Hoàng Ngọc Long, người thầy luôn nghiêm khắc trong chuyên môn, thân thiện trong đời sống, và hết lòng thương yêu học trò. Thầy là cầu nối đưa tôi đến với Lý thuyết trường, một lĩnh vực khó của Vật lý nhưng cũng rất nhiều thú vị.

Tôi hãnh diện vì được làm học trò của thầy. Kính chúc thầy luôn luôn mạnh khỏe. Tôi xin cảm ơn các thành viên trong Nhóm Lý thuyết trường và Hạt cơ bản - Trung tâm Vật lý lý thuyết - Viện Vật lý - Học viện Khoa học và Công nghệ đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. Đặc biệt, tôi xin cảm ơn TS.

Phùng Văn Đồng, TS. Đỗ Thị Hương, TS. Lê Thọ Huệ, và một số đồng nghiệp đã cộng tác, đồng ý cho tôi sử dụng các công bố chứa các kết quả liên quan đến nội dung luận án. Tôi xin cảm ơn các đồng chí lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Trường Đại học Tây Bắc đã có những hỗ trợ, động viên cần thiết trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh.

Tôi xin cảm ơn các đồng chí lãnh đạo và các nhân viên Viện Vật lý - Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ tôi hoàn thành các thủ tục hành chính trong quá trình học tập, nghiên cứu, và bảo vệ luận án. Cuối cùng, tôi xin dành sự biết ơn tới gia đình đã luôn động viên, ủng hộ, và hỗ trợ vô điều kiện về mọi mặt để tôi có thể yên tâm nghiên cứu và hoàn thành luận án này. i LỜI CAM ĐOAN Luận án này được tôi hoàn thành dưới sự hướng dẫn của GS. Hoàng Ngọc Long.

Tôi xin cam đoan những kết quả trình bày trong luận án là do bản thân tôi đã thực hiện trong thời gian làm nghiên cứu sinh. Cụ thể, chương 1 là phần tổng quan giới thiệu những vấn đề cơ sở có liên quan đến luận án. Trong chương 2, tôi sử dụng các kết quả nghiên cứu mà tôi đã thực hiện cùng với TS. Phùng Văn Đồng, TS.

Đỗ Thị Hương, NCS Nguyễn Thị Nhuần, và NCS Nguyễn Thị Kim Ngân. Trong chương 3, tôi sử dụng các kết quả nghiên cứu mà tôi đã thực hiện cùng với thầy hướng dẫn và TS. Lê Thọ Huệ. Cuối cùng, tôi xin khẳng định các kết quả có trong luận án "Một số hiệu ứng vật lý mới trong mô hình 3 − 2 − 3 − 1 và 3 − 4 − 1" là kết quả mới, không trùng lặp với kết quả của các luận án và công trình đã có.

Tác giả luận án Dương Văn Lợi ii MỤC LỤC Lời cảm ơn. i Lời cam đoan. ii Danh mục các từ viết tắt. v Danh sách bảng.

vi Danh sách hình vẽ. vii Mở đầu. Mô hình chuẩn. Các mô hình mở rộng.

Mô hình đối xứng trái-phải tối thiểu. Kết luận chương 1. Hiện tượng luận trong mô hình 3 − 2 − 3 − 1. Phần vô hướng.

Tương tác fermion-gauge boson. Tương tác vô hướng-gauge boson. Hiệu ứng vật lý mới và các giới hạn. ρ và các tham số trộn lẫn.

Dòng trung hòa thay đổi vị. Kết luận chương 2. Hiện tượng luận trong mô hình 3 − 4 − 1 tối thiểu với neutrino phân cực phải. Mô hình 3 − 4 − 1 tổng quát.

Khử dị thường và lượng fermion. Tương tác Yukawa và khối lượng fermion. Khối lượng gauge boson. Mô hình 3 − 4 − 1 tối thiểu với neutrino phân cực phải.

W boson và các giới hạn. Kết luận chương 3. 93 Kết luận chung. 95 Những đóng góp mới của luận án.

97 Danh mục các công trình đã công bố. 98 Tài liệu tham khảo. Tương tác vô hướng-gauge boson. Bề rộng rã muon.

133 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS CKM Cabibbo-Kobayashi-Maskawa CMS Compact Muon Solenoid DCH Higgs tích điện đôi FCNCs Dòng trung hòa thay đổi vị LFV Vi phạm vị lepton LHC Máy gia tốc năng lượng cao LNC Bảo toàn số lepton thế hệ M331 Mô hình 3 − 3 − 1 tối thiểu M3221 Mô hình đối xứng trái-phải tối thiểu QCD Sắc động học lượng tử SCH Higgs tích điện đơn SM Mô hình chuẩn SSB Phá vỡ đối xứng tự phát VEV Giá trị trung bình chân không ν331 Mô hình 3 − 3 − 1 với neutrino phân cực phải v DANH SÁCH BẢNG 2.1 Hằng số tương tác của Z với các fermion.2 Hằng số tương tác của Z1 với các fermion.3 Hằng số tương tác của Z1′ với các fermion.1 Tích B và L của các đa tuyến trong mô hình 3 − 4 − 1 tối thiểu với neutrino phân cực phải.2 Số lepton L khác không của các trường Higgs trong mô hình 3 − 4 − 1 tối thiểu với neutrino phân cực phải.3 Số lepton L khác không của các fermion trong mô hình 3−4−1 tối thiểu với neutrino phân cực phải. 79 vi DANH SÁCH HÌNH VẼ √ 2.1 Miền vật lý mới khả dĩ cho trường hợp β = −1/ 3 với các giới hạn 0.2 Miền vật lý mới khả dĩ cho trường hợp β = 0 với các giới hạn 0.3 Miền vật lý mới khả dĩ cho trường hợp β = 1/ 3 với các giới hạn 0.4 Miền giới hạn (VuR , VdR ) đến từ các hiệu khối lượng meson ∆mK,Bd ,Bs với thang vật lý mới M = 5 TeV.5 Miền giới hạn (VuR , VdR ) đến từ các hiệu khối lượng meson ∆mK,Bd ,Bs với thang vật lý mới M = 10 TeV.6 Miền giới hạn (M, VdR ) đến từ các hiệu khối lượng meson ∆mK,Bd ,Bs với VuR = 0.7 Miền giới hạn (M, VdR ) đến từ các hiệu khối lượng meson ∆mK,Bd ,Bs với VuR = 0.8 Miền giới hạn (M, VdR ) đến từ các hiệu khối lượng meson ∆mK,Bd ,Bs với VuR = 0.1 Giản đồ Feynman cho đóng góp vào rã muon với kênh rã chính (hình bên trái) và kênh rã sai (hình bên phải). 92 vii MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Mô hình chuẩn (SM) là lý thuyết mô tả rất tốt ba loại tương tác cơ bản và đã được thực nghiệm kiểm chứng. Tuy nhiên, SM vẫn chưa giải thích được một số vấn đề như số thế hệ fermion bằng 3, khối lượng nhỏ của neutrino, sự tồn tại của vật chất tối.

Đồng thời, một số kết quả trong SM liên quan tới tham số ρ, các hiệu khối lượng meson trung hòa, bề rộng rã của W boson,. chưa trùng khớp với thực nghiệm, tuy sự sai khác là rất nhỏ [1–6]. Nhiều dấu hiệu khác cũng chỉ ra rằng SM chỉ là lý thuyết hiệu dụng của một lý thuyết mở rộng tổng quát hơn. Do đó, việc xây dựng các lý thuyết mở rộng nhằm giải quyết các vấn đề đang tồn tại là rất tự nhiên và cần thiết.

Trong các hướng mở rộng SM, hướng mở rộng nhóm đối xứng chuẩn phần điện yếu được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. Theo đó, nhiều mô hình mở rộng đã được xây dựng như mô hình đối xứng trái-phải tối thiểu (M3221) [7–14], các mô hình 3 − 3 − 1 [15–22]. M3221 là một trong các hướng mở rộng thu hút nhất của SM. M3221 đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển lý thuyết về khối lượng neutrino và sớm chỉ ra khối lượng neutrino khác không trước khi thực nghiệm xác nhận.

Thế nhưng, giống như SM, hạn chế lớn nhất của M3221 là không giải thích được sự tồn tại của vật chất tối - lượng vật chất chiếm tới khoảng 23% trong Vũ trụ [23, 24]. Các mô hình 3 − 3 − 1 vừa giải quyết tốt vấn đề số thế hệ fermion, vừa giải quyết được cả vấn đề khối lượng neutrino và vật chất tối nhưng phải thêm các đối xứng gián đoạn hoặc các trường, điều này là không tự nhiên [25–27]. Cũng theo hướng mở rộng nhóm đối xứng chuẩn phần điện yếu, mô hình 1 xây dựng dựa trên cơ sở nhóm chuẩn SU (3)C ⊗ SU (2)L ⊗ SU (3)R ⊗ U (1)X (mô hình 3 − 2 − 3 − 1) vừa mới được đề xuất [28]. Mô hình 3 − 2 − 3 − 1 có thể giải quyết tốt các vấn đề ngoài phạm vi SM nêu ra ở trên.

Đối xứng chuẩn mới của mô hình cho phép giải thích số thế hệ fermion là 3, và dòng trung hòa thay đổi vị (FCNCs) ở gần đúng cây xuất hiện trong cả phần gauge và phần vô hướng. Đây có thể là nguồn mới để giải quyết các dị thường vật lý và các vấn đề khác. Hơn nữa, mô hình cũng cho khối lượng nhỏ của neutrino cũng như các ứng cử viên vật chất tối một cách tự nhiên. Bên cạnh đó, mô hình mở rộng xây dựng dựa trên cơ sở nhóm chuẩn SU (3)C ⊗ SU (4)L ⊗ U (1)X (mô hình 3 − 4 − 1) cũng là một sự mở rộng tự nhiên và hợp lý [20, 29, 30].

Mô hình 3 − 4 − 1 có thể có hai thang phá vỡ tại năng lượng cao giúp nó dễ dàng đáp ứng các yêu cầu của thực nghiệm, chẳng hạn như giá trị thực nghiệm của dị thường moment từ muon (g − 2)µ đòi hỏi thang vật lý mới cỡ vài trăm GeV, trong khi FCNCs lại yêu cầu một thang năng lượng cỡ vài TeV. Hơn nữa, trong một số mô hình 3 − 4 − 1 cụ thể, đa tuyến lepton có chứa tất cả các lepton (trái, phải) của SM và neutrino phân cực phải - thành phần quan trọng để giải quyết vấn đề khối lượng neutrino. Đây là một sự sắp xếp hợp lý và chỉ có trong các mô hình 3 − 4 − 1. Ngoài ra, phần Higgs vật lý - một phần rất quan trọng của mô hình nhưng lại chưa được nghiên cứu đầy đủ và chi tiết.

Do vậy, chúng tôi đã tập trung nghiên cứu hai mô hình mở rộng ở trên.