Nghiên cứu vi phạm đối xứng CP và Vật lý meson B trong thí nghiệm LHCb trên máy gia tốc LHC

Mối quan tâm chủ yếu của chương trình Vật lý meson B của thí nghiệm LHCb là tìm kiếm pha Vật lý mới trong pha trộn 0 Bs. Đo đó. đề tài: “Nghiên cứu vi phạm đối xứng CP và Vật lý meson B trong thí nghiệm LHCb trên máy gia tốc LHC” của nhóm nghiên cứu, do TS. Nguyễn Mậu Chung, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đứng đầu rất hy vọng đạt được các phép đo quan trọng của pha pha trộn fs dựa trên số liệu của kênh phân rã ® /y +f 0 B J s thu nhận được ngay cả khi luminosity qua thấp khoảng vài phân của 1 -1 fb. Tuy nhiên đây là phép đo phức tạp đòi hỏi thiết bị hoạt động hoàn hảo và sự cố 2 gắng của tất cả các nhóm trong hợp tác LHCb. Trên con đường dẫn đến fs , nhóm nghiên cứu dự định sẽ thực hiện (hoặc tham gia) vào những phép đo cụ thể như sau: (1) nghiên cứu sinh ra hạt J /y theo kênh + - J /y ® m + m và đo tỷ lệ J /y sinh ra từ phân rã của b-hadron (như hàm số của pT ); tiết diện hiệu dụng sinh cặp quark b b ; (2) xây dựng meson B từ các phân rã B ® J /y + X ; (3)  nghiên cứu độ phân giải thời gian và đo thời gian sống; (4) đo Dms với kênh phân rã - + Bs ® Ds + p 0 , và chuần hóa theo flavour; (5) sử dụng kênh phân rã m Bs ® Ds + K 0 ± để đo góc g cho ma trận CKM; (6) đo vi phạm đối xứng CP trong kênh phân rã ® /y +f 0 B J s

Nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu những mục đầu tiên trong danh sách trên.  Về nguyên tắc, sẽ được bắt đầu với số liệu 2010 ngay sau khi detector được chuẩn hóa. Đối với nghiên cứu Monte Carlo, nhóm nghiên cứu nhận thấy, có thể thu được ~ 65 ® /y +f 0 B J s và ~ 70 - + Bs ® Ds + p 0 sự kiện cho số liệu 0.001 -1 fb . Việc sử dụng kênh phân rã m Bs ® Ds + K 0 ± nhằm xác đinh góc g của ma trận CKM là mối quan tâm chủ yếu của nhóm nghiên cứu cho nghiên cứu chiều sâu bởi vì đó là sự tiếp theo tự nhiên của những phương pháp và công nghệ cần thiết cho phân tích hai kênh phân rã - + Bs ® Ds + p 0 và ® /y +f 0 B J s .

Cuối năm 2011, nhóm nghiên cứu cũng đặt kế hoạch nghiên cứu khả năng xác định góc g của ma trận CKM từ kênh phân rã 0 0 / sd KS B ® J y + sử dụng phương pháp do Fleischer đề ra và dựa trên đối xứng U-spin. Kỹ thuật như vậy có thể áp dụng cho bộ số liệu rất lớn, tức là trong trường hợp detector LHCb được nâng cấp để chạy được ở luminossty cao hơn. Đối xứng U-spin cũng cho phép xác định tầm quan trọng của giản đồ Feynman dạng peinguin vào việc xác định góc b của tam giác unitary (cho đến nay, đóng góp này vẫn bị bỏ qua) bằng cách đo độ bất đối xứng phụ thuộc thời gian trong kênh phân rã 0 0 / s KS B ® J y + và so sánh với độ bất đối xứng thu được trong kênh phân rã 0 0 / d KS B ® J y + . Mô hình chuẩn tiên đoán góc pha trộn 0 Bs nhỏ fs = -0.036 ± 0.002 . Vật lý mới có thể làm thay đổi góc pha trộn này tức là bằng cách thay đổi hạt bằng hạt siêu đối xứng, như vậy việc đo độ bất đối xứng phụ thuôc thời gian trong các kênh phân rã ® /y +f 0 B J s , ® /y +h 0 B J s và 0 ' Bs ® J /y +h đóng vai trò rất quan trọng trong việc tìm kiếm Vật lý mới.

LHCb hoạt động rất tốt trong Vật lý meson 0 Bs và mục tiêu của nhóm nghiên cứu là kênh phân rã ® /y +f 0 B J s vì nó cho phép xác định góc pha trộn fs ; trong triển vọng đó, nghiên cứu kênh phân rã - + Bs ® Ds +p 0 cho phép xác định hiệu số khối lượng Dms ; hơn nữa kênh này có thể sử dụng như kênh kiểm tra trong phân tích phụ 3 thuộc thời gian của phân rã meson 0 Bs vào các trạng thái không đặc biệt. Điều rất thú vị là kênh phân rã m Bs ® Ds + K 0 ± rất gần kênh phân rã - + Bs ® Ds + p 0 vì trạng thái cuối của chúng chỉ khác nhau bởi bachelor meson liên kết với meson - Ds . Kênh phân rã m Bs ® Ds + K 0 ± cho phép đo pha tương tác yếu f s g + . Kênh phân rã - + Bs ® Ds +p 0 được chọn như là bước nghiên cứu đầu tiên vì đây là flavour đặc biệt trong đó chỉ có đóng góp một giản đồ Feynmann dạng cây. Flavour đặc biệt nghĩa 0 Bs chỉ phân - + Ds + p và 0 Bs chỉ phân rã thành + - Ds + p . Hơn nữa, không có vi phạm đối xứng CP trong kênh phân rã này. Kênh phân rã - + Bs ® Ds +p 0 dùng để xác định thông số dao động Dms lẫn tỷ số sai lệch wtag khi theo dõi quark b. Kênh phân rã m Bs ® Ds + K 0 ± không phải flavor đặc biệt bởi vì 0 Bs có thể phân rã trực tiếp hoặc qua dao động thàh + - Ds + K hoặc - + Ds + K , do hai giản đồ Feymann dạng cây đóng góp vào quá trình này. Kênh phân rã này được dùng để xác định góc pha tương tác yếu f + g s ở đây fs là góc pha trộn của ( ) Bs Vts và g sinh ra từ phần tử Vub . Để xác định góc f + g s từ phân rã này, cần biết giá trị của Dms và wtag . Bởi vì hai kênh phân rã - + Bs ® Ds +p 0 và m Bs ® Ds + K 0 ± có cùng dạng topo, loại trừ yêu cầu xác định hạt cho + p hoặc + K đi kèm meson - Ds , các hạt này mang tên gọi bachelor pion và bachelor kaon, có thể giả thiết rằng tỷ số sai lệch wtag như nhau trong hai kênh phân rã, như đã được khẳng định trong mô phỏng detector tổng thể sử dụng phần mềm Geant của CERN. Bởi vì kênh phân rã - + Bs ® Ds +p 0 là kênh flavour đặc biệt nên nó dùng làm kênh kiểm tra cho kênh phân rã m Bs ® Ds + K 0 ± .

Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu như sau: Đầu tiên các tiêu chuẩn lựa chọn topo được áp dụng cho các hạt trong phân rã cho phép lựa chọn phân rã kiểu Ds + h . Sau đó các tiêu chuẩn lựa chọn cho Ds được thực hiện bằng cách sử dụng các tinh chất phân rã ( 2 c cho khớp đỉnh, xung lượng ngang pT, dịch chuyển đỉnh phân rã, khối lượng). Tiếp theo, meson 0 Bs được tái xây dựng bằng cách áp dụng một lần nữa các tiêu chuẩn topo. Sau cùng, đo thời gian sống 0 Bs và độ dao động 0 0 Bs - Bs, cho phép xác định hiệu số khối lượng Dms và tỷ số sai lệch wtag . Bước kế tiếp, sự phụ thuộc độ bất đối xứng theo thời gian trong kênh phân rã m Bs ® Ds + K 0 ± sẽ được nghiên cứu. Sử dụng kênh phân rã ® /y +f 0 B J s cho phép xác định góc pha trộn fs và kết hợp các thông tin nhận được từ các kênh phân rã - + Bs ® Ds +p 0 và m Bs ® Ds + K 0 ± , chúng ta có thể đánh giá được góc g cuả tam giác unitarity.

Như vậy, qua 36 tháng (từ tháng12/2010 đến 12/2013), các kết quả thu được như sau:

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm dao động trong hệ meson B trung hòa 0 0 Bs - Bs dựa trên số liệu thực nghiệm thu được trên detector LHCb trong các năm 2011 và 2012.

Các số liệu thực nghiệm đã cho phép xác định được thông số dao động Dms giữa hai trạng thái riêng của tương tác mạnh, thông số dao động trên cũng chính là 4 hiệu số khối lượng giữa hai trạng thái riêng nặng và nhẹ trong tương tác yếu của 0 Bs .

Do trong một số kênh phân rã nhất định, 0 Bs có thể phân rã sang trạng thái cuối lẫn trạng thái liên hợp điện tích, nên một trong các khó khăn nhất cần phải vượt qua khi tiến hành thí nghiệm là đánh giá tỷ số sai lệch wtag của thí nghiệm nhằm phân biệt hạt và phản hạt được sinh ra ban đầu từ va chạm proton proton.

Các phép đo trong thí nghiệm với số lượng thống kê lớn cho phép đánh giá góc pha trộn fs với độ chính xác cao hơn, tạo điều kiện xác định mức độ vi phạm đối xứng CP thông qua xác định góc g của tam giác unitar từ ma trận CKM.

Các kết quả nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Physics Letters.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15466/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)