Belle 実験

1. Belle　実験 宇宙の謎を探る ｜

2. どうして宇宙は　物質で満ちているのだろう。。。どうして宇宙は　物質で満ちているのだろう。。。 宇宙がビックバンで生まれた直後は物質と反物質は同数あった。しかし我々が生きている現在の宇宙には反物質がほとんどないことがわかっている。宇宙が現在まで進化する過程で、反物質はどこに消えてしまったのか。 その秘密を解く鍵　－ CP 対称性の破れ (CP violation)

3. 素粒子の対称性 • この自然界では、電荷　C（Charge） 、空間　P（Parity） 、時間　T（Time） という三つの基本的な離散対称性が存在する。 • C対称性とは電荷共役に対する対称性で、C変換することによって粒子（反粒子）は反粒子(粒子)へと変換される。 • P対称性とは空間を左右ひっくりかえす変換に対して世界は不変であることを意味する。 • T対称性とは時間反転に対して世界は不変であることを意味する。 • CP対称性不変とはC変換とP変換を同時に施された世界が元の世界と同一であることである。 • 素粒子の世界では、実はCとP、さらにはその積であるCPについても弱い相互作用では破られていることが発見された。 • しかし、CP対称性が何故破れているのか、その起源がどこにあるのかは未だ謎である。

4. CP非保存と関係する素粒子物理学上重要な発見の歴史CP非保存と関係する素粒子物理学上重要な発見の歴史

5. クォークと　レプトン

6. B0 gp+p- 崩壊事象 u p+ W+ d ｂ u 上の図を Treediagram と呼び、下の図を Penguin diagram という。 二つの図の違いを ペンギン効果と呼び、 強い相互作用による 不確実性はまだ解明 されていない。 B0 p- ｄ d W+ ｂ d p+ g u B0 u, t, c u p- d d

7. 小林益川理論 クォークが三世代あると、世代混合によりCPの対称性の破れを自然に曖昧なく導入することができる。 まだ　up,down, strange という３つの　quarkしか見つかっていない時代に　小林と益川は三世代目のquark の存在を予言し、その後bottom, top, charm が発見された。 世代混合は、　数学的にCKM matrixにより可能になる。 二世代混合を提唱した　Cabibbo の名も含め、三人の名前の頭文字 より成る。 Vud Vus Vub Vcd Vcs Vcb Vtd Vts Vtb

8. Belle 実験 目的：　B中間子を用いた 小林益川理論の検証。 bクォークが　uやdクォークとくっついた状態であるB中間子の崩壊を観測し、小林益川理論が予言するB中間子の崩壊時に起きるCP対称性の非保存を検証する。 bottom クォークのまたの名を　beauty というがBelle　は B中間子のBと　beautyという意味の　フランス語を合わせて名付けられた。 次のポスターからB中間子を大量につくりだす装置と　その崩壊を測定する装置の説明をする。 • KEKB加速器　（Bファクトリー） • Belle測定器

9. KEKB加速器 （Bファクトリー）高エネルギー加速器研究機構 茨城県つくば市 ２リング 電子、陽電子加速器 一周　約３ｋｍ 直径　約１ｋｍ

10. KEKB非対称エネルギー　電子、陽電子衝突型加速器KEKB非対称エネルギー　電子、陽電子衝突型加速器 ８GeVの電子と　３．５GeVの陽電子を衝突させると、ボトムクォークと反ボトムクォークの共鳴状態U(４S)を通して、B中間子と反B中間子ができる。 CP対称性の非保存を観測するには、Bと反B中間子の崩壊時間の差をみる。違うエネルギーの電子と陽電子を衝突させることにより、 U(４S)をローレンツブーストさせ、B中間子の崩壊時間を伸ばす。崩壊時間の差はそれぞれのB中間子の崩壊位置の差を時間に焼きなおすことで測定する。 現在、世界にこのタイプの加速器は二台存在し、ひとつはBelle実験が行われてるKEKBで、もうひとつはKEKBのライバルで、BaBar実験が行われているPEP-II（米国）である。 CP非対称性を観測するにはB中間子がある特定のモードに崩壊しなくてはならない。B中間子を大量に作らなければならいので、KEKB,PEP-IIはBファクトリーと呼ばれている。なお、現在１秒につき約８個のB中間子対が生成されている。

11. KEKB　世界記録を更新中 加速器における粒子の生産性を表す単位に　ルミノシティーがある。　単位は　barn-1を使う。（b = 10-28m2) KEKBと　PEP－II加速器のB中間子生産競争においては　KEKは先に始まったPEP-IIの積分ルミノシティーを抜き、世界記録を更新中である。 Belle ルミノシティー ２００３年２月１０日現在, 積分ルミノシティーは Belle　 １０７．７９/fb Babar １００．８４/fb

12. Belle Detector Aerogel Cherenkov cnt. n=1.015~1.030 SC solenoid 1.5T 3.5GeV e+ CsI(Tl) 16X0 TOF counter 8GeV e- Tracking + dE/dx small cell + He/C2H5 m / KL detection 14/15 lyr. RPC+Fe Si vtx. det. 3 lyr. DSSD

13. 各測定器の概要（内側から　外側へ）

14. 観測された　B0 gp+p- 崩壊事象

15. CP対称性の破れp中間子への崩壊過程でも観測 ２００３年１月２３日、Belle実験グループはCP対称性の破れがB中間子が２つのπ中間子に崩壊する過程でも観測されたと発表。 Belleで観測された、π中間子対の事象のひとつが前の図である。　 次の図はBelleで観測された　B0 → π+π-　と反B0 → π+π-　の崩壊時間分布を表す。　２つの点でCP対称性の破れが観測されたと言える。　  崩壊時間分布が　B0と反B0で違う。  観測された反 B0 → π+π-の数はB0 → π+π-の数より多い。 CP対称性が保存されていれば、B0と反B0は同数でしかも同じ崩壊時間をもっていなければならない。 実線と点線は、　CP対称性の破れをパラメターにした理論の予想値で、データに合うようにパラメターの値が決められている。なお、この解析に使われたπ中間子対の数は　１６３個。B中間子対の総数は　８５００万個にのぼる。

16. BelleにおけるCP対称性の破れの観測 B0 → π+π-（△）と反 B0 → π+π-（○）事象の崩壊時間分布。 時間の単位はピコ秒(１兆分の1秒)。