o-Ps を用いた CP 対称性の破れ探索

1. o-Psを用いたCP対称性の破れ探索 原子核若手三者夏の学校＠パノラマランド木島平 東京大学　素粒子センター　小林研究室 修士２年　西原一幸 内容 １．イントロダクション ２．実験概要 ３．実験に向けての準備状況 ４．現段階での見積もりと今後の予定

2. 1.イントロダクション o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

3. レプトンセクターでCPの破れを測定することは大事！レプトンセクターでCPの破れを測定することは大事！ ・クォークセクターでのCPの破れ 　★Kの物理　KL→π+ π- 稀崩壊の発見(1964) Γ(KL→π+π-)/Γ(KL→all)=(2.0+/-0.4)×10-3 　★Bの物理 B0とB0barとの崩壊率非対称(2001) sin2Φ1 = 0.99+/-0.14(stat)+/-0.06(syst) ・レプトンセクターでは？ →未発見 　　大統一を考えると、レプトンセクターでのCP の破れは必須 　　その程度は？ • ・レプトンセクターでCPの破れを測る対象 • 　　　★ニュートリノ振動 • 　　　　（ニュートリノ、反ニュートリノの遷移確率の違いを測定する） • 　　　★荷電レプトンのＥＤＭ • 　　　　（Ｔ対称性の破れ→CPT対称性を信じるならCPの破れ） • 　　　★ポジトロニウム　→本実験 o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

4. + o-Ps (S=1) - p-Ps (S=0) m=0 m=-1 m=1 ポジトロニウム系でのCPの破れ その１　 ポジトロニウム →電子(e-)と陽電子(e+)の束縛系 スピン状態により p-Ps (τ=0.125ns)とo-Ps(τ=142ns)に分けられる 主にp-Psは2γへ、o-Psは3γへ崩壊 磁場中でのポジトロニウム o-Psのm=0の成分がp-Psとmixingを起こす 　→寿命が短くなる • 本実験ではo-Psのm=+/-1の成分のみを選択的に使用したい • →磁場をかけて、かつ崩壊時間を測ることでm=0成分を除去する o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

5. 検出器 検出器 検出器 検出器 o-Ps o-Ps ポジトロニウム系でのCPの破れ その２　 o-Psの3γ崩壊を用いたＣＰ測定 N+とN-のイベント数の差→ＣＰの破れ 現在までに行われている実験 M.Skalsey and J. Van House Phys.Rev.Lett 67(1991)1993 CCP=-0.0056+/-0.0154 (f～0.1　角度依存など) 精度不十分 Ｏ(10-3）まで上げると見えるかもしれない!! o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

6. 2．実験概要 o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

7. リターンヨーク γ線検出器(LYSO結晶) ネオジム磁石 Ps生成部 回転駆動モーター 実験装置のセットアップ ○線源まわり 22Naβ+線源(1MBq,Eend=546keV) 　エアロゲルターゲット ○γ線検出器 LYSO結晶(Φ30×30) H8409-70（高磁界用ＰＭＴ） 0,60,150,210°の位置に中心から7cm 　離して設置 ○磁石およびリターンヨーク ネオジム磁石(Φ80×50) 　鉛直方向から30°傾けて設置 Ps生成部で3.5kGauss 現在、設計および製作中・・・。 ※CCPを10-3の感度で測定しようとすると、線源・検出器の配置に～μmの精度が必要 　→検出器を乗せた台を回転させることによって、この系統誤差をなくす o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

8. 3．実験へ向けての準備状況 o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

9. 線源まわりについて ・２２Na(e＋線源 1MBq Eend = 546keV)を100μmのプラシンで挟む ・e＋通過時のプラシンの光をライトガイドで回転ステージ上のＰＭＴまで導いて、 2つのコインシデンスでPs生成をタグ ・プラシンを通過したe+はエアロゲル中で静止しPsを生成 ・Psの寿命はe+のプラシン通過時刻とγ線検出時刻との差から算出 光量チェック中（Ｍ１ 東くん） o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

10. γ線検出器（LYSO結晶）その１ • ＊＊＊γ線検出器に対する要件＊＊＊ • ★高いエネルギー分解能 • (検出したγ線にエネルギーで順序をつけるため） • ★短い減衰時間 • (統計量を稼ぐようにハイレート下で使用） • ★磁場中で使用可 本実験で使用するもの ・LYSO結晶（Lu1.8Y0.2(SiO4)O, 大きさΦ30×30) ・H8409-70 (高磁界用ＰＭＴ,1テスラまで耐久,実際の数百ガウスのもとでオペレート) 137Cs(662keV γ線)のエネルギースペクトル 511keVγ線によるシグナル 50ns FWHM 10.5%@662keV 減衰時間　約40ns o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

11. 3.6×1010y βー(Eend=580keV) γ(307keV) 93.6% γ(202keV) 78.0% γ(88keV) 14.5% γ線検出器（LYSO結晶）その２ 176Luの崩壊 厄介な176Luのバックグラウンド LYSO結晶構成元素176Lu(天然存在比2.59%)のせいで自分自身で光る 176Luによるエネルギースペクトル 88keV+202keV+307keV それぞれのγ線光電ピークにβのスペクトルがのった形 88keV+202keV 88keV+307keV 88keV 176Luによるバックグラウンドのrate ⇒ 約 5.8 kHz o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

12. γ線検出器（LYSO結晶）その３ 時間分解能は200ps 20kBqの22Na線源を用いてback to backに放出された511keVγ線で評価 ←片方のLYSOでの測定エネルギーを、511+/-25keVに固定したときの時間分解能（エネルギーの関数として） 300～500keV で 200ps を実現 176Lu のBackgroundは落とせる LYSO結晶2つ、self トリガーの場合とコインシデンス信号によるトリガーの場合とでトリガーrateの比較を行った。(線源なし) 5.8kHz(self トリガー) → 16Hz (コインシデンスでトリガー) さらに、16Hzのうちfake signal (一方300～400keV,他方400～500keV)を作るものは1.7% o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

13. 磁石まわり設計 その１ • 磁場をかける目的 • ★m=0成分の分離 • ★スピン量子化軸の決定 Ps生成部に3.5kGaussの磁場をかける • 　＊＊＊磁場系に課せられる要件＊＊＊ • ・Ps生成部で一様な3.5kGauss程度の磁場 • ・PsからみてLYSO結晶を遮らない • ・ライトガイドや回転台などとぶつからない ネオジム磁石　Φ80×50 (表面磁束密度　～4.5kG) 現在、ANSYS（有限要素磁場解析ソフト）を 用いて設計を進めている ・Simの形状　・曲がり角での磁束のロス ・リターンヨークの太さ o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

14. 磁石まわり設計 その２ 磁気回路プロトタイプの製作（現在進行中） ・Φ90×20のネオジム磁石　２ヶ (表面磁束密度　～3.7kGauss) ・全長130cmのリターンヨーク（鉄） 主な目的 　⇒ANSYSによる計算の妥当性チェック 磁石のみ系で磁場測定 z=0平面におけるBz分布 黒：ANSYS計算結果 赤：BELL610による実測値 青：GM04による実測値 Bz [kGauss] ~0.1kGaussで実測値と一致 中心からの距離[cm] o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

15. 4.現段階での見積もりと今後の予定 o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

16. 目指す精度と現段階での見積もり(統計) CＣＰパラメータを10-3の精度で測定したい！ 1.4×10８ヶのシグナルイベントが必要（１年間の測定なら5Hz） ・使用する２２Na線源：1 MBq ・o-Ps生成率：6.6% (内訳)プラシンタグ効率80% エアロゲル中で静止30% Ps生成率55% m=+/-1成分50% ・崩壊時間=100～270ns：30% ・γ線のエネルギー：0.03% (1st=400～500keV, 2nd=300～400keV, 1st>2nd+50keV) ->実際はLYSOの組み合わせ：３組 ->回転台による効果も考慮 m=+/-1成分の選択 6Hz ※系統誤差、バックグラウンドなどの議論は今回省略 o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

17. 今後の予定 ２００７年 　　８月　磁気回路プロトタイプ測定 本番用磁石まわりの設計完了＆発注 　　９月　ライトガイド光量チェック、線源まわり設計完了 　　　　　日本物理学会秋季大会 　１０月　回転駆動および制御系・台座、設計完了＆発注 　１１月　装置組み立てなどもろもろ 　１２月　テストＲＵＮスタート ２００８年 　　１月　ＲＵＮ本番開始 　　３月　日本物理学会春季大会 o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

18. backup slides o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

19. o-Psを用いたCP対称性の破れ探索