Luận văn Khảo sát phân bố từ trường của hệ phân cực kế muon trong thí nghiệm t - Violation

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ðẶNG NGUYÊN PHƯƠNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG CỦA HỆ PHÂN CỰC KẾ MUON TRONG THÍ NGHIỆM T-VIOLATION LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ðẶNG NGUYÊN PHƯƠNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG CỦA HỆ PHÂN CỰC KẾ MUON TRONG THÍ NGHIỆM T-VIOLATION Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: GS. IMAZATO GS. RANGACHARYULU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn, tôi ñã nhận ñược sự quan tâm, giúp ñỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân cũng như các giáo sư tại Trung tâm KEK, Nhật Bản. Xin gửi lời cảm ơn ñến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường ðHKHTN TPHCM ñã tận tình truyền dạy kiến thức trong suốt những năm tôi học ñại học cũng như cao học tại bộ môn. ðầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành ñến GS. Jun Imazato, người ñã tận tình hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện luận văn tại KEK. Tuy thời gian thực hiện luận văn tương ñối ngắn ngủi nhưng với sự hướng dẫn tận tình, không quản ngại ngày ñêm của giáo sư ñã giúp tôi hoàn thành luận văn này một cách tốt nhất có thể. Kế ñến, tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc ñến GS. Chary Rangacharyulu là người ñã luôn ñộng viên, khuyến khích và trao ñổi với tôi về những vấn ñề liên quan ñến vật lý hạt nhân và hạt cơ bản. Tôi sẽ không bao giờ quên sự giúp ñỡ của giáo sư về cả vật chất lẫn tinh thần trong suốt thời gian tôi theo ñuổi lĩnh vực nghiên cứu này. Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn ñến TS. Suguru Shimizu, TS. Youichi Igarashi và các thành viên khác trong nhóm TREK vì những góp ý, trao ñổi cũng như giúp ñỡ của họ trong quá trình tiến hành thí nghiệm tại KEK. Nhân dịp này, tôi cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc tới Cô Trương Thị Hồng Loan vì tất cả những gì cô ñã làm cho tôi trong suốt 5 năm qua. Trong suốt thời gian qua, tôi cảm thấy mình thật may mắn và hạnh phúc khi ñược làm việc với cô Loan, chị Khanh cũng như với các bạn khác trong nhóm NMTP, cùng nhau san sẻ không chỉ kiến thức mà còn là những niềm vui, nỗi buồn trên chặng ñường dài nghiên cứu khoa học. Tôi sẽ không bao giờ quên những kỷ niệm ñẹp với các bạn bè lớp Cao học Vật lý Hạt nhân K17 trong suốt ba năm qua. Kỉ niệm với các bạn có lẽ sẽ là những kỉ niệm cuối cùng trong quãng ñời ñi học của tôi. Cuối cùng, xin ñược gửi gắm những lời thương yêu nhất tới gia ñình của tôi, cha mẹ và em trai, những người ñã luôn sát cánh bên tôi trong công việc cũng như trong cuộc sống. 1 MỤC LỤC Trang Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ......................................................................... 3 Danh mục các bảng ..................................................................................................... 5 Danh mục các hình vẽ, ñồ thị...................................................................................... 6 MỞ ðẦU..................................................................................................................... 8 Chương 1 – GIỚI THIỆU ......................................................................................... 10 1.1 Khái niệm về sự ñối xứng trong vật lý ......................................................... 10 1.1.1 Sự ñối xứng .......................................................................................... 10 1.1.2 ðối xứng CPT ...................................................................................... 10 1.2 Sự vi phạm CP.............................................................................................. 12 1.3 Sự bất bảo toàn toán tử thời gian.................................................................. 13 1.4 Thí nghiệm TREK (Time Reversal Experiment with Kaons) ...................... 14 Chương 2 – HỆ PHÂN CỰC KẾ MUON TRONG THÍ NGHIỆM KEK-PS-E246 21 2.1 Xác ñịnh PT bằng hệ phân cực kế muon thụ ñộng........................................ 21 2.2 Các thành phần của hệ phân cực kế.............................................................. 23 2.3 Những khuyết ñiểm của hệ phân cực kế muon thụ ñộng ............................. 24 Chương 3 – HỆ PHÂN CỰC KẾ MUON CHỦ ðỘNG .......................................... 26 3.1 Hệ phân cực kế muon chủ ñộng ................................................................... 26 3.2 Phương pháp xác ñịnh PT ............................................................................. 28 3.2.1 Phương pháp chung.............................................................................. 28 3.2.2 Hiệu chỉnh sự quay của spin muon ...................................................... 29 3.2.2 Phép ño năng lượng và góc bay của positron ...................................... 30 3.3 Bia dừng muon ............................................................................................. 31 3.4 Multi-Wire Drift Chamber (MWPC)............................................................ 32 3.5 Thiết bị tạo từ trường ño phân cực muon ..................................................... 33 Chương 4 – KHẢO SÁT PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG CỦA HỆ PHÂN CỰC KẾ ... 36 4.1 Thiết lập hệ ño .............................................................................................. 36 4.2 Sensor ño từ trường ...................................................................................... 40 2 4.3 Hệ số bất ñối xứng........................................................................................ 43 4.4 Kết quả khảo sát phân bố từ trường.............................................................. 43 4.4.1 Khảo sát từ trường nghịch.................................................................... 44 4.4.2 Khảo sát từ trường thuận...................................................................... 46 Chương 5 – KHẢO SÁT MULTI-WIRE DRIFT CHAMBER BẰNG CHÙM TIA BETA ........................................................................................................................ 50 5.1 Thiết lập hệ ño............................................................................................... 50 5.2 Phương pháp ño sự phân chia ñiện tích........................................................ 56 5.3 Kết quả.......................................................................................................... 57 5.3.1 Khảo sát với ñiều kiện ban ñầu............................................................ 57 5.3.2 Khảo sát với các vùng ADC ................................................................ 59 5.3.3 Khảo sát với sự thay ñổi cổng thời gian .............................................. 61 KẾT LUẬN............................................................................................................... 64 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ................................................................................... 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 67 3 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÍ HIỆU C toán tử liên hợp ñiện tích Gs hằng số coupling vô hướng Kµ3 kênh phân rã K+ → π0µ+ν mK khối lượng kaon ms khối lượng quark s mu khối lượng quark u mpi khối lượng pion mµ khối lượng muon P toán tử chẵn lẻ PT phân cực vuông góc mặt phẳng phân rã ppi xung lượng của pion pµ xung lượng của muon T toán tử nghịch ñảo thời gian α năng suất phân tích β trở kháng ñầu vào σµ vector phân cực của muon θ góc phát positron λ hằng số phân rã thừa số suy giảm ñộng học trung bình CÁC CHỮ VIẾT TẮT cc clock-wise ccw counter clock-wise fwd forward bwd backward 4 ADC Analog to Digital Converter APD Avalanche Photodiode CAMAC Computer Automated Measurement And Control CsI(Tl) Thallium doped Caesium Iodide scintillation detector FADC Fast Analog to Digital Converter FOM Figure of Merit GEM Gas Electron Multiplier HV High Voltage KEK High Energy Accelerator Research Organization LVDS Low Voltage Differential Signaling MPPC Multi-Pixel Photon Counter MWDC Multi-Wire Drift Chamber MuS Muon stopping NIM Nuclear Instrumentation Module PH-ADC Photonic Analog to Digital Converter PIN (p-layer, intrinsic layer, n-layer) photodiode PMT Photomultiplier tube PS Proton Synchrotron SC Superconducting SiPMT Silicon photomultiplier tube SPD Shift of decay plane distribution TRIUMF Canada's National Laboratory for Particle and Nuclear Physics TREK Time Reversal Experiment with Kaons UNIDAQ Universal Input Data Acquisition Module VME Versa Module Eurocard µSR Muon Spin Rotation 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh giữa hai thí nghiệm E246 và TREK......................................... 19 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Hình 1.1: Phân rã Kµ3.......................................................................................... 15 Hình 1.2: Các giá trị PT ñược ñưa ra bởi mô hình lý thuyết và thực nghiệm ..... 16 Hình 1.3: Mô hình hệ ño ..................................................................................... 17 Hình 2.1: Sơ ñồ cấu trúc của hệ phân cực kế muon............................................ 21 Hình 2.2: Phân bố thông lượng trong bia dừng muon ........................................ 23 Hình 3.1: Hệ phân cực kế muon chủ ñộng.......................................................... 27 Hình 3.2: ðịnh nghĩa góc θ0 ............................................................................... 29 Hình 3.3: ðồ thị tương quan giữa năng lượng và quãng chạy của positron ñược tính toán từ mô phỏng Monte Carlo cho bia nhôm............................. 31 Hình 3.4: Sơ ñồ sắp xếp các bia dừng chùm muon............................................. 32 Hình 3.5: Cấu trúc của các khe trong buồng ño.................................................. 33 Hình 3.6: Sơ ñồ bố trí của thiết bị tạo từ trường cho một sector ........................ 34 Hình 4.1: Sơ ñồ bố trí thí nghiệm ....................................................................... 37 Hình 4.2: Hình chụp bố trí thí nghiệm................................................................ 38 Hình 4.3: Các thiết bị thí nghiệm........................................................................ 39 Hình 4.4: Sơ ñồ sắp xếp của 3 sensor (ñơn vị tính mm)..................................... 40 Hình 4.5: Cấu hình cơ bản của flux-gate sensor ................................................. 41 Hình 4.6: Bố trí sensor ........................................................................................ 41 Hình 4.7: Thiết lập hệ tọa ñộ cho sensor (ñơn vị tính là mm) ............................ 42 Hình 4.8: Cấu hình ño từ trường: a) từ trường thuận; b) từ trường nghịch (phân cực thuận); c) từ trường nghịch (phân cực nghịch) ............................ 44 Hình 4.9: Sơ ñồ các mặt phẳng khảo sát (ñơn vị tính là mm) ............................ 44 Hình 4.10: Phân bố của BY (từ trường nghịch) trên các mặt phẳng y = 0, ±12 mm ...................................................................................................... 45 Hình 4.11: Phân bố của BY (từ trường thuận) trên mặt phẳng y = 0mm .............. 46 7 Hình 4.12: Phân bố của BY (từ trường thuận) trên các mặt phẳng y = ±12mm và ±30mm ................................................................................................ 47 Hình 4.13: Các hệ số bất ñối xứng tại y = ±12mm và ±30mm............................. 48 Hình 4.14: ðường cong ñộ từ hóa của một số vật liệu ......................................... 48 Hình 5.1: Cấu hình của bố trí các dây của MWDC ............................................ 51 Hình 5.2: Thiết lập hệ ño MWDC....................................................................... 52 Hình 5.3: Sơ ñồ hệ thống vận chuyển khí........................................................... 53 Hình 5.4: Bình chứa khí và thiết bị ñiều khiển ................................................... 53 Hình 5.5: Hệ ñiện tử............................................................................................ 55 Hình 5.6: Bố trí nguồn phát bức xạ beta ............................................................. 56 Hình 5.7: Phổ ADC thu ñược tại ñầu trái (L) và phải (R) của ba dây ñược khảo sát ........................................................................................................ 58 Hình 5.8: Phổ vị trí của ba dây ñược khảo sát .................................................... 59 Hình 5.9: Phổ vị trí của dây số 2 theo 4 vùng kênh ADC................................... 60 Hình 5.10: ðồ thị tương quan giữa vị trí và kênh ADC ....................................... 61 Hình 5.11: Phổ ADC tại ñầu trái của wire-2 với các giá trị cổng thời gian khác nhau..................................................................................................... 62 Hình 5.12: Phổ vị trí tại dây số 2 và 3 với cổng thời gian 90ns............................ 63 8 MỞ ðẦU Sự ñối xứng thời gian (T-symmetry) là một chủ ñề nghiên cứu hết sức hấp dẫn trong vật lý hạt trong suốt thời gian qua. Là một trong ba toán tử cơ bản của vật lý hiện ñại (C – charge conjugation, P – parity inversion, T – time reversal), sự bất biến của T có quan hệ mật thiết với các ñối xứng khác liên hệ với thế giới hạt – phản hạt và thế giới ñối xứng gương. Sự ñối xứng nghịch ñảo thời gian (T) ñóng một vai trò ñặc biệt trong vật lý hạt cơ bản. Một sự khám phá vi phạm T cũng ñồng thời ngụ ý sự vi phạm CP trong trường hợp ñối xứng CPT ñược bảo toàn. Thí nghiệm E06 TREK (Time Reversal Experiment with Kaons) ñược tiến hành tại J-PARC với mục ñích tìm kiếm sự vi phạm ñối xứng T dựa trên phép ño phân cực PT của muon trong phân rã K+ → π0µ+ν (Kµ3). Theo các tính toán lý thuyết ñược ñưa ra bởi Sakurai [17], sự phân cực PT khác không của muon trong phân rã Kµ3 với T-lẻ ñược xem như là dấu hiệu của sự vi phạm ñối xứng thời gian. Hơn nữa, một ưu ñiểm trong việc nghiên cứu PT là giá trị của PT ñược dự báo trong Mô hình Chuẩn (Standard Model) là rất nhỏ (PT ~ 10−7). Do vậy, việc nghiên cứu PT có thể ñưa chúng ta ñến một lý thuyết vật lý mới bên ngoài Mô hình Chuẩn, ñây cũng chính là một trong những mục tiêu nghiên cứu hàng ñầu của ngành vật lý hạt cơ bản hiện nay. Thí nghiệm TREK ñược tiến hành dựa trên cơ sở của thí nghiệm E246 trước ñó ñược tiến hành tại KEK-PS (KEK Proton Synchrotron). Hệ ño ñược sử dụng trong thí nghiệm này cũng ñược nâng cấp từ thí nghiệm KEK-PS E246 trước ñây, ñồng thời phương pháp phân tích số liệu cũng ñược cải tiến nhằm ñạt ñược ñộ chính xác cao hơn. Tất cả các nâng cấp trên nhằm mục ñích làm giảm cả sai số hệ thống lẫn thống kê trong phép ño xuống 20 lần, ñưa sai số toàn phần ∆PT ~ 10-4. Trong số các cải tiến ñược thực hiện, cải tiến quan trọng nhất chính là xây dựng một hệ phân cực kế muon có khả năng theo dõi vết của hạt muon phát ra từ phân rã Kµ3 và xác ñịnh thành phần phân cực PT của nó một cách chính xác nhất. 9 Trong quá trình thiết kế một hệ phân cực kế mới, vấn ñề kiểm tra khả năng hoạt ñộng và ñộ chính xác của hệ thống xem có thoả mãn các yêu cầu ñề ra hay không là một vấn ñề rất quan trọng, góp phần vào thành công của cả thí nghiệm. Với mục ñích nêu trên, luận văn này ñược thực hiện nhằm khảo sát và ñưa ra các ñánh giá về ñộ chính xác và khả năng ñóng góp vào sai số toàn phần của hệ phân cực kế muon ñược thiết kế cho thí nghiệm TREK. Bố cục luận văn bao gồm 5 chương: Chương 1 – Giới thiệu: giới thiệu các khái niệm cơ bản về sự ñối xứng trong vật lý, các toán tử CPT,.... ñồng thời cũng trình bày khái quát về thí nghiệm TREK cũng như các thành phần chính trong hệ ño của thí nghiệm này. Chương 2 – Hệ phân cực kế muon trong thí nghiệm KEK-PS-E246: giới thiệu và phân tích những ưu nhược ñiểm của hệ phân cực kế ñược sử dụng trong thí nghiệm E246 trước ñó, từ ñó nêu ra những yêu cầu cần thiết ñối với hệ phân cực kế ñược sử dụng trong thí nghiệm TREK sau này. Chương 3 – Hệ phân cực kế muon chủ ñộng: giới thiệu về hệ phân cực kế mới ñược sử dụng trong thí nghiệm TREK và các thành phần chính của nó. Chương 4 – Khảo sát phân bố từ trường của hệ phân cực kế: trình bày thí nghiệm kiểm tra mô hình nam châm lưỡng cực tạo từ trường và tính toán hệ số bất ñối xứng của phân bố từ trường bên trong hai cực nam châm. Chương 5 – Khảo sát multi-wire drift chamber bằng chùm tia beta: khảo sát ñộ phân giải vị trí trong việc xác ñịnh vết của hạt bằng hệ thống phân cực kế mới. 10 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 KHÁI NIỆM ðỐI XỨNG TRONG VẬT LÝ 1.1.1 Sự ñối xứng Trong vật lý, tính chất ñối xứng là một ñặc tính của hệ vật lý mà các ñặc tính ñó bất biến dưới các phép biến ñổi cụ thể, nó phản ánh các ñịnh luật bảo toàn của hệ chẳng hạn như sự tồn tại của các trạng thái của hệ hay các quy tắc lọc lựa cho các chuyển dời trong hệ. Tính ñối xứng của một hệ vật lý có thể là các ñặc tính vật lý hay toán học của hệ ñó (biểu hiện ra bên ngoài hay nội tại) mà không bị thay ñổi dưới các phép biến ñổi trong hệ tọa ñộ không gian vật lý hay trừu tượng. Trong lý thuyết lượng tử, các ñặc tính của một hệ vật lý thường ñược diễn tả dưới dạng các toán tử. ðể biết ñược một toán tử A có phải là ñối xứng (bảo toàn) hay không, ñịnh lý Noether chỉ ra rằng toán tử ñó phải thoả mãn hai ñiều kiện: (a) AH = HA (1.1.1) (b) ∂A/∂t = 0 (1.1.2) trong ñó H là toán tử Hamilton, t là thời gian. Trong trường hợp toán tử A thoả mãn cùng lúc hai ñiều kiện trên (giao hoán với toán tử Hamilton và không phụ thuộc tường minh vào thời gian), ñại lượng quan sát ñược a (trị riêng của toán tử A) sẽ là một ñại lượng bảo toàn hay hằng số. Trong trường hợp hai toán tử A và B không phụ thuộc tường minh vào thời gian, thoả mãn các ñiều kiện AH = HA và BH = HB thì các ñại lượng quan sát ñược tương ứng với cả A và B ñều ñược bảo toàn một cách ñồng thời. Tuy nhiên, các ñiều kiện này chỉ là ñiều kiện cần nhưng chưa phải là ñiều kiện ñủ cho việc cùng tồn tại các ñại lượng bảo toàn một cách ñồng thời. 1.1.2 ðối xứng CPT Trong vật lý hạt, có ba sự ñối xứng cơ bản thể hiện tính chất của các trường lượng tử: tính chẵn lẻ (Parity – P), liên hợp ñiện tích (Charge Conjugation – C), và 11 nghịch ñảo thời gian (Time Reversal – T). Ba sự ñối xứng này ñóng vai trò hết sức quan trọng trong lý thuyết trường hiện ñại và ñược thể hiện dưới dạng các toán tử: • ðối xứng ñiện tích (C) ñể chỉ sự biến ñổi các ñại lượng hoặc quá trình vật lý dưới một phép biến ñổi liên hợp ñiện tích mà ở ñó mọi hạt trong hệ ñều ñược thay thế bằng phản hạt của nó: C Ψ(q) = Ψ(– q) (1.2) • ðối xứng chẵn lẻ (P) là tính chất ñối xứng của các ñại lượng hoặc quá trình vật lý dưới sự nghịch ñảo không gian tựa như ñối xứng gương: P Ψ(r) = Ψ(– r) (1.3) • ðối xứng nghịch ñảo thời gian (T) là sự ñối xứng của các ñại lượng hoặc quá trình vật lý dưới sự biến ñổi ñảo ngược chiều thời gian. T Ψ(t) = Ψ(– t) (1.4) Các lý thuyết vật lý hiện ñại ñều dựa trên giả thiết rằng mọi hệ vật lý ñều bảo toàn dưới sự tác dụng kết hợp của cả ba toán tử ñó (nghĩa là tác dụng ñồng thời cả ba phép biến ñổi), nó ñược gọi là sự ñối xứng CPT. Nói cách khác, ñịnh lý CPT ñòi hỏi tất cả các hiện tượng vật lý ñều phải ñối xứng dưới sự tác dụng của CPT. ðặc biệt, ñịnh lý CPT phát biểu rằng bất kì bất biến Lorentz nào tồn tại trong lý thuyết trường lượng tử giao hoán ñược với một Hamiltonian Hermit phải có ñối xứng CPT. ðịnh lý CPT xuất hiện lần ñầu tiên trong công trình của Julian Schwinger vào năm 1951 ñể chứng minh mối liên hệ giữa spin và thống kê [13]. Vào năm 1954, Gerhard Luder và Wolfgang Pauli ñưa ra các chứng minh cụ thể cho lý thuyết này