Luận án tiến sĩ một số tính chất của neutrino thuận thang điện yếu

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ LÊ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA NEUTRINO THUẬN THANG ĐIỆN YẾU 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: 1. Phạm Quang Hưng, Đại học Virginia, Hoa Kỳ 2. Võ Tình, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế HUẾ - NĂM 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả, đồ thị.

được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Như Lê ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Giáo sư Phạm Quang Hưng, Tiến sĩ Võ Tình, những người thầy mà với tấm lòng nhiệt thành và chu đáo, với sự quan tâm thường xuyên và tận tụy, đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến quý báu của các đồng nghiệp trong Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Huế. Để hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự động viên, khuyến khích và tạo điều kiện của lãnh đạo Đại học Huế, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế, của bạn bè đồng nghiệp.

Tự đáy lòng mình tôi xin gửi lòng tri ân đến tất cả. Huế, tháng 2-2016 Nguyễn Như Lê iii MỤC LỤC Mục lục. iii Danh mục các từ viết tắt. vii Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh-Việt.

ix Danh mục các hình vẽ, đồ thị. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ SỞ .2 Phá vỡ đối xứng tự phát .2 SM của tương tác điện yếu .1 Nguyên lý chung thiết lập lý thuyết gauge .2 Các fermion nghịch và thuận .3 Chọn nhóm gauge .5 Khối lượng fermion .7 Lagrangian của SM cho tương tác điện yếu .3 Kết luận chương 1. MÔ HÌNH EWνR .1 Sơ lược về hạt neutrino .2 Sự dao động neutrino .2 Khối lượng neutrino .1 Khối lượng Dirac .2 Khối lượng Majorana .3 Cơ chế see-saw .1 Cơ chế see-saw loại I .2 Cơ chế see-saw loại II .3 Cơ chế see-saw loại III .4 Mô hình đối xứng thuận-nghịch .5 Mô hình EWνR .1 Thành phần fermion .2 Thành phần Higgs .3 Tương tác giữa trường fermion và trường Higgs .4 Điều kiện ràng buộc chính xác điện yếu trong mô hình EWνR .6 Kết luận chương 2. TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ TRONG MÔ HÌNH EWνR .1 Lý thuyết phi tương đối tính cho trạng thái ngưng tụ trong tương tác Yukawa .2 Trạng thái ngưng tụ .2 Phương pháp sử dụng phương trình SD cho các trạng thái ngưng tụ của fermion trong mô hình EWνR [77] .1 Nghiệm của phương trình SD cho năng lượng riêng của neutrino thuận và quark gương [77] .2 Thang năng lượng của trạng thái ngưng tụ .3 Thang năng lượng cắt .3 Hàm β một vòng của các hằng số liên kết Yukawa của fermion trong mô hình EWνR [83] .1 Khái niệm hàm β của hằng số liên kết .2 Hàm βgM một vòng của hằng số liên kết Yukawa gM giữa neutrino thuận và tam tuyến Higgs χ e .3 Hàm βgqM một vòng của hằng số liên kết Yukawa gqM giữa quark gương và lưỡng tuyến Higgs Φ2M .4 Hàm βgeM một vòng của hằng số liên kết Yukawa geM giữa lepton điện gương và lưỡng tuyến Higgs Φ2M .5 Kết quả tính số .4 Kết luận chương 3.

PHÁ VỠ ĐỐI XỨNG ĐIỆN YẾU ĐỘNG LỰC HỌC TRONG MÔ HÌNH EWνR .1 Phá vỡ đối xứng điện yếu động lực học .1 Lý do nghiên cứu DEWSB .2 Thang năng lượng của EWSB .2 Phá vỡ đối xứng điện yếu động lực học trong mô hình EWνR [84] .3 Khối lượng của hạt Higgs .1 Phổ khối lượng của các vô hướng .2 Boson Higgs 125-GeV và hạt Higgs trong mô hình EWνR .4 Khối lượng của neutrino .1 Cơ chế see-saw trong mô hình EWνR .2 VEV của đơn tuyến Higgs φS [84] .5 Kết luận chương 4. 109 vi KẾT LUẬN CHUNG. 112 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN. 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

114 PHẦN PHỤ LỤC .1 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Việt SM Mô hình chuẩn PMNS Pontecorno-Maki-Nakagawa-Sakata RENO Thí nghiệm phản ứng của dao động neutrino EW Điện yếu GUT Lý thuyết thống nhất lớn LHC Máy gia tốc hadron lớn VEV Giá trị kỳ vọng chân không ILC Máy gia tốc tuyến tính quốc tế DEWSB Phá vỡ đối xứng điện yếu động lực EWSB Phá vỡ đối xứng điện yếu SUSY Siêu đối xứng LH Higgs nhỏ TH Higgs song sinh LED Chiều thêm vào lớn TC Phim màu ETC Mở rộng phim màu NJL Nambu-Jona-Lassinio SD Schwinger-Dyson SSB Phá vỡ đối xứng tự phát QED Điện động lực học lượng tử QCD Sắc động lực học lượng tử DONUT Thí nghiệm quan sát trực tiếp neutrino tau NH Phân bậc thông thường IH Phân bậc nghịch viii Viết tắt Tiếng Việt LSND Máy dò neutrino sử dụng chất lỏng đặc biệt KARMEN Thí nghiệm neutrino với năng lượng trung bình Rutherford ở Karlsruhe CHOOZ Một thành phố của Pháp NOMAD Máy dò dao động neutrino bằng từ LR Nghịch thuận CMS Một trạm thí nghiệm trong hệ thống máy LHC MF Fermion gương tot Tổng cộng cm Khối tâm RGE Phương trình nhóm tái chuẩn hóa BCS Bardeen-Cooper-Schrieffer SχSB Phá vỡ đối xứng chéo tự phát ATLAS Một trạm thí nghiệm trong hệ thống máy LHC cond Ngưng tụ vh Vô hướng sym Đối xứng sb Phá vỡ đối xứng BR Tỉ lệ của kênh phân rã ix BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT Tiếng Anh Tiếng Việt Standard model Mô hình chuẩn Electroweak Điện yếu Vacuum expectation value Giá trị kỳ vọng chân không General unified theory Lý thuyết thống nhất lớn Dynamical electroweak Phá vỡ đối xứng điện yếu symmetry breaking động lực học Electroweak symmetry breaking Phá vỡ đối xứng điện yếu Spontaneous symmetry breaking Phá vỡ đối xứng tự phát Left-right Nghịch-thuận Renormalization group equation Phương trình nhóm tái chuẩn hóa Right-handed Thuận Left-handed Nghịch Sterile Trơ Condensate Ngưng tụ Scale invariance Bất biến thang Charge current Dòng mang điện Neutral current Dòng trung hòa Gauge invariance Bất biến gauge Quantum electrodynamics Điện động lực học lượng tử Quantum chromodynamics Sắc động lực học lượng tử x Tiếng Anh Tiếng Việt Branching ratio Tỉ lệ của kênh phân rã Momentum cutoff Xung lượng cắt Energy cutoff Năng lượng cắt Normal hierarchy Phân bậc thông thường Inverted hierarchy Phân bậc nghịch Hierarchy Phân bậc xi Danh sách hình vẽ 1.1 Sự định hướng của spin trong (a) pha thuận từ và (b) pha sắt từ.2 Thế vô hướng được cho bởi phương trình (1.35) với hai trường hợp: (a) µ2 > 0 và (b) µ2 < 0.3 Quá trình phân rã beta theo lý thuyết của E.4 SeS và SeM F trong hai điều kiện ràng buộc 1σ và 2σ [18].5 Giản đồ Feynman đóng góp vào vế phải của phương trình SD cho năng lượng riêng của neutrino thuận ΣνR [77].6 Giản đồ Feynman đóng góp vào vế phải của phương trình SD cho năng lượng riêng của quark gương ΣνR [77].7 Ví dụ điển hình cho hàm β trong phương trình Callan- Symanzik có điểm cố định bền tử ngoại là λ1 và điểm cố định bền hồng ngoại là gốc tọa độ và λ2. Chiều của mũi tên biểu diễn xu hướng biến đổi của hằng số liên kết khi xung lượng tăng.8 Đóng góp của hiệu chỉnh đỉnh vào hàm βgM một vòng của hằng số liên kết gM .9 Đóng góp năng lượng riêng của fermion vào hàm βgM một vòng của hằng số liên kết gM .10 Đóng góp của năng lượng riêng vô hướng vào hàm βgM một vòng của gM .11 Đóng góp của hiệu chỉnh đỉnh vào hàm βgqM một vòng của hằng số liên kết gqM .12 Đóng góp năng lượng riêng của fermion vào hàm βgqM một vòng của hằng số liên kết gqM .13 Đóng góp của năng lượng riêng vô hướng vào hàm βgqM một vòng của gqM .14 Đóng góp của hiệu chỉnh đỉnh vào hàm βgeM một vòng của hằng số liên kết geM .15 Đóng góp năng lượng riêng của fermion vào hàm βgeM một vòng của hằng số liên kết geM .16 Đóng góp của năng lượng riêng vô hướng vào hàm βgeM một vòng của geM .17 Sự biến thiên của các hằng số liên kết Yukawa với các giá trị khối lượng naive ban đầu của νR , eM và q M lần lượt bằng 200 GeV, 102 GeV và 202 GeV. Mũi tên màu xanh da trời và màu xanh lục chỉ các giá trị năng lượng tại đó tam tuyến Higgs χ và lưỡng tuyến Higgs Φ2M tương ứng nhận VeV [84].18 Giản đồ tán xạ WL WL .19 Giản đồ tạo khối lượng cho (a) χ0 , (b) φ02M [84].20 Giản đồ tạo khối lượng cho (a) ξ 0 , (b) φ02 [84].21 So sánh cường độ tín hiệu µEW ν H → γγ, W W , ZZ, bb̄, τ τ̄ R e e ∼ H10 với cường của mô hình EWνR trong trường hợp H độ tín hiệu được đo bởi CMS [19].22 Giản đồ tạo VEV cho φS : (a) từ năng lượng riêng của neutrino thuận, (b) từ năng lượng riêng của quark gương [84]. 108 xiii 23 Hàm truyền và đỉnh tương tác trong lý thuyết λφ4 .4 24 Hàm truyền là tổng của các hàm năng lượng riêng 1PI.5 25 Giản đồ năng lượng riêng.6 26 Một số giản đồ 1PI phân kỳ một vòng trong thuyết λφ4 .6 27 Một số giản đồ 1PI phân kỳ một vòng trong thuyết λφ4 .12 28 Đóng góp của hiệu chỉnh đỉnh vào hàm β một vòng của hằng số liên kết hi .23 29 Đóng góp năng lượng riêng của fermion vào hàm βgM một vòng của hằng số liên kết gM .24 30 Đóng góp năng lượng riêng vô hướng vào hàm βgM một vòng của hằng số liên kết gM.

Lý do chọn đề tài Vật lý hạt cơ bản nghiên cứu các hạt sơ cấp chứa trong vật chất và bức xạ cùng với những tương tác giữa chúng. Vật lý hạt cơ bản còn được gọi là vật lý năng lượng cao vì rất nhiều hạt trong số đó không xuất hiện ở điều kiện môi trường tự nhiên mà chỉ được tạo ra trong các tia vũ trụ, các phản ứng hạt nhân và trong các máy gia tốc. Vật lý hạt cơ bản hiện nay là mũi nhọn của vật lý học hiện đại. Những ứng dụng của nó không chỉ thể hiện trong công nghệ cao ngày nay hay trong đời sống hằng ngày mà còn có vai trò rất lớn trong vật lý thiên văn, là lời giải cho nhiều bài toán về bản chất của vũ trụ, không gian và thời gian.

Ý tưởng vật chất được tạo bởi các hạt cơ bản đã xuất hiện từ thế kỷ thứ 6 trước công nguyên. Thuyết nguyên tử đã được truyền bá bởi những triết gia người Hy Lạp. Mặc dù từ thế kỷ thứ 17, I.