ベータ崩壊 寿命：約15分 ~752eV ~782keV 日本物理学会2009年秋季大会.

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0 音野瑛俊 （東京大学） and NOP collabration
中性子ベータ崩壊の物理 音野瑛俊　（東京大学） and NOP collabration 日本物理学会2009年秋季大会

1 ベータ崩壊 寿命：約15分 ~752eV ~782keV 日本物理学会2009年秋季大会

2 Physics interest 宇宙論：ビックバン 素粒子論：標準模型 宇宙初期の軽元素合成シナリオ
Vud、CKM行列のUnitarity Non V-A currentの探索 時間反転対称性の破れ 日本物理学会2009年秋季大会

3 ビックバン元素合成と中性子 t~0.01秒 t~1秒 t~1-3分 元素は全て熱平衡状態で（n/p)~1 温度の低下と共に中性子が減少
arXiv:astro-ph/ v1 t~0.01秒 元素は全て熱平衡状態で（n/p)~1 温度の低下と共に中性子が減少 t~1秒 (n/p)~1/6で凍結 ベータ崩壊が効き始める D、3H、3Heの存在量が増加 Heの生成が始まる t~1-3分 中性子崩壊のため(n/p)~1/7まで減少  各元素の存在比はバリオン物質密度にも大きく依存 日本物理学会2009年秋季大会

4 G.J. Mathews, T. Kajino, T. Shima
ビックバン元素合成と中性子 中性子寿命の測定精度の向上 バリオン物質密度の測定精度が向上 元素の存在比の測定 tn = 885.7±0.8 s (PDG2008) tn = 878.5±0.7±0.3 s (PNPI-ILL) 1%の違いが現在問題となっている。 G.J. Mathews, T. Kajino, T. Shima PRD71 (2005) 日本物理学会2009年秋季大会

5 素粒子理論と中性子 p e ν 寿命~15分 角度相関分布 (Jackson, 1957) a A B D J pp pe pν
T-violation λ、Vud λ、Vud λ、Vud a ±0.0055 Byrne 02 A ±0.0007 Abele 02 B ±0.0050 Shumann 07 D -2.8±6.4±3.0 Soldner 04 日本物理学会2009年秋季大会

6 VudとCKM行列のUnitarity CKMのUnitarityチェックには中性子ベータ崩壊から求めた値は使われておらず、
0+0+遷移の値が採用されている。 　　　　　　　中性子ベータ崩壊からも精確に測定する必要がある 日本物理学会2009年秋季大会

7 Beyond 標準模型 p e ν B項：中性子スピンとニュートリノ運動量の内積
J pe pν pp p ν e B項：中性子スピンとニュートリノ運動量の内積 SUSYループによる非V-Aカレントに感度が強い LR mixingが最大である時、BSUSY/B~10-3の可能性 BSMは2.2x10-4の精度が可能（PDG2008） →現在のBSUSY/Bの上限は5.1×10-3（Schumann 07） BSM BSUSY 日本物理学会2009年秋季大会

8 実験 p e ν 中性子の発生 角相関項測定 寿命測定 原子炉 加速器 abBA 崩壊陽子の測定（ペニングトラップ）
中性子の測定（超冷中性子貯蔵法） 崩壊電子の測定 J pe pν pp p ν e 日本物理学会2009年秋季大会

9 中性子の発生 原子核内からはじき出す Fission（原子炉） Spallation（加速器） 3x109neutron/sec DC
パルス 日本物理学会2009年秋季大会

10 角相関項測定 冷中性子 超冷中性子 abBA(SNS) Perkeo(ILL) aSPECT(NIST) aCORN(LANSCE)
電場をかけて崩壊陽子と電子を加速し同時測定 →a項、b項の測定 磁場をかけて中性子を偏極 →A項、B項の測定 Perkeo(ILL) aSPECT(NIST) aCORN(LANSCE) 超冷中性子 UCNA（LANSCE） abBA　セットアップ abBA 検出器 世界各国でそれぞれのビームを生かした 実験が進行中。 BL05においても次期計画として考案を進めている。 日本物理学会2009年秋季大会

11 寿命測定（陽子を測定） ペニングトラップで捕獲した陽子を計数 Nico et al. 2005@NIST τ~9-25min
τ=886.3±1.2±3.2sec correction(s) Uncertainty(s) 6LiFの面密度 - 2.2 6Liの断面積 1.2 6Liへの吸収 +5.2 0.8 日本物理学会2009年秋季大会

12 寿命測定（中性子を測定） UCNボトル貯蔵実験 UCNをボトルに詰める ボトルに蓋をする 崩壊せずに残った中性子を計数
誤差：壁効果（γ、μ） τ=878.5±0.7±0.3sec (Serebrov 2005) 散乱による損失率 壁の反射率 correction(s) Uncertainty(s) γ - 0.236 μ 0.144 日本物理学会2009年秋季大会

13 寿命測定（中性子を測定） VCN(v⊥<6m/s) Storage ring Ioffe-type magnetic trap
Reflection of UCN by magnetic barrier W.Paul, in Proc. Int. Conf. on Nuclear Physics and Physics of Fundamental Particles, Chicago, 1951. V.V.Vladimirskii. Sov.Phys. –JETP VCN(v⊥<6m/s) Storage ring Ioffe-type magnetic trap Neutron Elevator Z. f. Physik C 45, 25(1989) τ = 877±10 sec (1989) τ = −63 sec (NIST 2000)  Ioffe-typeⅡ τ = 878.2±1.6 sec (PNPI –ILL-TUM 2007 preliminary) Nature 403, 62, 2000 Neutron Elevator 日本物理学会2009年秋季大会

14 寿命測定（電子を測定） 実験進行中  13日（日）午前 生出秀行 スピンフリップチョッパーを用いたバックグラウンド抑制
実験進行中　　13日（日）午前　生出秀行 スピンフリップチョッパーを用いたバックグラウンド抑制 TPCを用いた中性子、崩壊電子の同時測定 Shield TPC with 3He-4He-CO2 gas e- E Spin flipper Rise time ~1s Polarizing supermirrors p Window Beam Catcher 1m 日本物理学会2009年秋季大会

15 まとめ ベータ崩壊の物理 冷中性子、超冷中性子を用いた様々な実験 BL05では寿命に続きさらなる精密測定を予定してい る。
寿命　　　　　　　　　　　　　　　　ビックバン元素合成 角度相関項　　　　　　　　　　　　標準模型の検証 冷中性子、超冷中性子を用いた様々な実験 加速器（J-Parc、SNS、PSI、、、） 原子炉（ILL、、、） BL05では寿命に続きさらなる精密測定を予定してい る。 日本物理学会2009年秋季大会

16 Backup 日本物理学会2009年秋季大会

17 B項の測定 日本物理学会2009年秋季大会

18 D項の測定 p p e e 中性子スピン偏極方向と電子の運動量の外積 時間反転対称性の検証が可能
L. J. LISING et al. PHYSICAL REVIEW C 陽子検出器 N- N+ p p e e 電子検出器 Final State Interaction ~10-5 磁場 日本物理学会2009年秋季大会

19 ベータ崩壊の物理 p e ν J pp pe pν 寿命測定 初期宇宙元素合成のシナリオ A項測定 B項測定
小林益川行列のUnitarity テスト 超対称性模型に 感度 日本物理学会2009年秋季大会

20 CKM Unitarity Kaon 0.2255(19) Hyperon 0.2250(27) Tau 0.2208(34)
|Vud|2= (27) 0+遷移 |Vub|2~1×10-5 |Vus|2=0.2255(19)：Kπ+e+ν 日本物理学会2009年秋季大会

21 H.Abele et.al., Eur.Phys.J.C33(2004) 1
中性子スピンと電子の運動量の内積 中性子寿命 から小林益川行列が求まる H.Abele et.al., Eur.Phys.J.C33(2004) 1 日本物理学会2009年秋季大会

22 中性子ベータ崩壊 λ,τn or λ, Vud p e ν 原子、原子核構造を持たず、電荷がない。 J pp pe pν
β崩壊の崩壊強度 素粒子標準モデル(SM)の基本パラメタ λ,τn or λ, Vud 日本物理学会2009年秋季大会