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ベータ崩壊における 時間反転対称性の検証

1/34. ベータ崩壊における 時間反転対称性の検証. 織田勧 東京大学 CNS 浜垣研 D2 2006 年 12 月 1 日 ( 金 ) 若手コロキウム. 2/34. ベータ崩壊における時間反転対称性の検証の何が面白いのか. 標準模型を超える事象を見つける。 宇宙の物質・反物質の非対称性の起源を理解する。 サハロフの 3 条件 CP 対称性の破れ (T 対称性の破れ ) バリオン数の破れ 熱力学的な非平衡過程が必要。 実は卒業研究でやろうとして、足元にも及ばず跳ね返されました。 なかなか大変です。. アンドレイ・サハロフ. 3/34. 1. 導入.

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ベータ崩壊における 時間反転対称性の検証

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  1. 1/34 ベータ崩壊における時間反転対称性の検証 織田勧 東京大学CNS 浜垣研D2 2006年12月1日(金) 若手コロキウム

  2. 2/34 ベータ崩壊における時間反転対称性の検証の何が面白いのか • 標準模型を超える事象を見つける。 • 宇宙の物質・反物質の非対称性の起源を理解する。 • サハロフの3条件 • CP対称性の破れ(T対称性の破れ) • バリオン数の破れ • 熱力学的な非平衡過程が必要。 • 実は卒業研究でやろうとして、足元にも及ばず跳ね返されました。 • なかなか大変です。 アンドレイ・サハロフ

  3. 3/34 1.導入 • ベータ崩壊とは • Lorentz不変性のみ要求した最も一般的なハミルトニアン • 時間反転対称性とは • 物理量の変換性 • ハミルトニアンが変換に対して不変なら • ベータ崩壊で電子とニュートリノの運動量とスピンと、原子核のスピンを測る場合 • β崩壊におけるP対称性の破れ, 係数A • CP対称性の破れ K中間子 • CP対称性の破れ B中間子 sin(2f1) • T対称性の破れ K中間子 • いろいろなβ崩壊をたくさん測った結果 • 逆に言えば未知の物理の探索に使える

  4. 4/34 ベータ崩壊とは 弱い相互作用だけなら 日本語版Wikipediaより

  5. 5/34 Lorentz不変性のみ要求した最も一般的なハミルトニアン Scalar Vector Tensor Axial vector Pseudo scalar J.D.Jackson et al., PR106(1957)106.

  6. 6/34 時間反転対称性とは • C : 荷電共役変換 粒子→反粒子 • P : 空間反転 r→-r • T : 時間反転 t→-t • CPT定理 • Any Lorentz invariant local quantum field theory with a Hermitian Hamiltonian must have CPT symmetry. • 粒子と反粒子の質量は等しい。 • 粒子と反粒子の電荷は符号は反対で大きさは等しい。 • 粒子と反粒子の寿命は等しい。 • CP対称性が破れたら、T対称性も破れる。

  7. 7/34 物理量の変換性

  8. 8/34 ハミルトニアンが変換に対して不変なら • 空間反転に対して不変なら • Ci’=0 • 荷電共役変換に対して不変なら • Ci=実数、Ci’=虚数 • 時間反転に対して不変なら • Ci, Ci’=実数

  9. 9/34 ベータ崩壊で電子とニュートリノの運動量とスピンと、原子核のスピンを測る場合 J.D.Jackson et al., NP4(1957)206.

  10. 10/34 呉健雄 β崩壊におけるP対称性の破れ, 係数A • T.D.Lee and C.N.Yang, PR104(1956)254. • C.S.Wu et al., PR105(1957)1413. b-(GT) 60Co(5+)60Ni(4+) g(E2) 60Ni(2+) g(E2) 60Ni(0+) γ:0度と90度 β:0度と180度 磁場の向きを変えた

  11. 11/34 CP対称性の破れ K中間子 • J.H.Christenson et al, PRL13(1964)138. • KSとKLはK0(ds-bar)とK0-bar(d-bars)の混合状態でCPの固有値が+と-。 • KL(CP=-1)pp(CP=+1) KL

  12. 12/34 CP対称性の破れ B中間子sin(2f1) BaBar SLAC PRL 86 (2001) 2515 Belle KEK PRL 87 (2001) 091802

  13. 13/34 T対称性の破れ K中間子 • CPLEAR, PLB444(1998)43. とで移り変わる速さが違う。 PDG, JPG33(2006)1

  14. 14/34 いろいろなβ崩壊をたくさん測った結果 • V-A型 • β崩壊(uクォークとdクォークの系)においてT対称性(CP対称性)の破れは非常に小さい。

  15. 15/34 逆に言えば未知の物理の探索に使える KVI Trimp Theory group master’s thesis Marc van Veenhuizen emiT collaboration, PRC62(2000)055501. Final State Interaction due to weak magnetism

  16. 16/34 2. いままでの実験 • 係数D • n • 19Ne • 係数R • 8Li

  17. 17/34 係数Dを測る • 始状態の核が偏極していること • 終状態の核の反跳を測れること • ニュートリノの代わり

  18. 18/34 実験例1 中性子陽子・電子・反電子ニュートリノ(半減期614秒) • emiT @NIST Center for Neutron Research • http://ewiserver.npl.washington.edu/emit • PRC62(2000)055501 • 20MW重水炉 • 京大研究用原子炉5MW • データ収集時間~2400時間 • 40K

  19. 19/34 実験例1 中性子(つづき) 電子：プラスチックシンチレーター 陽子：PINダイオード

  20. 20/34 実験例1 中性子(つづき) • Dn=[-0.6 +/- 1.2(stat) +/- 0.5(syst)]x10-3 • 世界平均 • Dn=[-5.5 +/- 9.5]x10-4 • Phase of gA/gV=180.073 +/- 0.12 (deg) • ILL Grenoble, PLB581(2004)49. • Dn=[-2.8 +/- 6.4(stat) +/- 3.0(syst)]x10-4 • 50日間 • 58MW重水炉 • 25K

  21. 21/34 実験例2 19Ne19F+e++ne(半減期=17.3秒) • F.P.Calaprice et al., Princeton Univeristy • PRL52(1984)337 • 19F(p,n)19Ne, SF6ガス • Stern-Gerlach磁石で偏極させる。 • 磁場勾配 • 130時間 Frank. P. Calaprice

  22. 22/34 実験例2 19Ne(つづき) • 検出器 • 生成装置

  23. 23/34 Current Limits (x10-3) ILL ‘04 Princeton ‘84 BNL ‘80 KEK ‘02 FNAL ‘88 実験例2 19Ne(つづき) • D=(4 +/- 8)x10-4 • 以前の結果と合わせると • D=(1 +/- 6)x10-4

  24. 24/34 係数Rを測る • 始状態の核が偏極していること • 電子のスピンを測る • Mott散乱

  25. 25/34 実験例3 8Li(半減期838ms) • R.Huber et al., PRL90(2003)202301. • PSI, polarized deuteron beam(0.9mA, 10MeV) • 5mm diameter 99.9% 7Li rod

  26. 26/34 実験例3 8Li(つづき) Pb analyzer foil

  27. 27/34 実験例3 8Li(つづき) • R=(0.9 +/- 2.2)x10-3 • RFSI=0.7x10-3 with 10% accuracy • Q=+/-2/3e, spin-0(scalar) leptoquark • mLQ>560GeV/c2

  28. 28/34 Leptoquark search at ZEUS-HERA (e+p sqrt(s)~300GeV) Phys.Rev. D68 (2003) 052004. D0, CDF, Tevatron, FNAL 低エネルギーの実験の方がより良い下限を与えている。

  29. 29/34 わたしの卒研(京都大学2002年度) • F.P.Calapriceたちと同じように19Neで係数Dを測定したいと思いました。 • 19Neの生成、偏極、測定 • ごついガス循環装置を作るわけには行かないので、テフロン粉末(CF2)を標的に使いました。 • タンデム加速器の12MeVの陽子ビームを使い(p,n)反応で19Neを作りました。 • 100nA, 12MeVで毎秒約108個の19Neが生成される。 • 粉末中から19Neはガスとして出て来ました。 • 出て来た19Neを借物の5mm四方の口の開いた永久磁石でできた四重極磁石で偏極させる予定でした。 • |dB/dx|=150T/m • 容器を液体窒素温度に冷やして、速度を遅くして、偏極度を上げる予定でした。

  30. 30/34 http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/~hal/bird/p3_2002/happyoukai.html n

  31. 31/34 19Neが良いのは • スピンが1/2で0でない • F(フッ素Z=9, A=19)は同位体がない • Fに10MeVの陽子ビームを照射した時に生成されるバックグラウンドとなるのは15O(19F(p,n+a)15O)だけ • 標的となる物質が存在する, SF6, CF2 • Zが小さい • 気体 • こういう性質の原子核はなかなかない(はず)

  32. 32/34 3. これからの実験 • KVI goes for • 21Na (3/2+3/2+ ; t1/2=22.5 s) 19Ne (1/2+1/2+ ; t1/2=17.3 s) • 20Na(2+ 2+ + / ; t1/2 =0.5 s) 23Mg (3/2+3/2+ ; t1/2=11.3 s) • ( Rate of in-trap decays 105/s) • KVI • TRImP • http://webdoc.kvi.nl/public/pub_doc/ • Penning trap • RIKEN • 立教・理研・東工大 • 液体窒素・supersonic gas jet • Barkley • http://weak0.physics.berkeley.edu/weakint/research/neon/index.html • laser cooling and atom trapping • などなど • ベータ崩壊するRIを作るのは簡単だけど偏極させるのは大変ですよね。

  33. 33/34 http://www.ne.rikkyo.ac.jp/~jiro/presen/ne-collo-03-pre.ppt http://triac.kek.jp/events/2ndSSRI/pdf/S3-4murata.pdf http://www.rikkyo.ac.jp/~jiro/subfiles/files/RIBF2006.pdf

  34. 34/34 4. まとめ • ベータ崩壊における時間反転対称性の検証は未知の物理への窓と言える。 • 多くの巧妙な実験が行なわれてきた。 • 今後の進展にはRIを偏極させる技術のブレークスルーが必要だろう。

  35. 補足スライド

  36. EDM(電気双極子モーメント)

  37. Laser optical pumping • PRC52(1995)R464 • 36K • J=2, EC

  38. ガス標的と偏極ビームは? • 偏極陽子ビーム • CF4ガス標的 • 偏極移行 • 弱い磁場 • Depolarization • CF4 + Time projection chamber • とか

  39. 参考文献一覧 • http://www.cns.s.u-tokyo.ac.jp/~oda/P3/article.html • nucl-ex/0605029 • 2002年度P3卒論 • http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/~hal/bird/p3_2002/2002P3b.pdf • http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/~hal/bird/p3_2002/

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