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 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

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 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

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 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

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

Lorentz不変性のみ要求した最も一般的なハミルトニアン 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.

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 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。

7/34 物理量の変換性 P変換 T変換 座標x - + 運動量p 角運動量L(=px) L・p p・q L・(Jxp) L・(pxq)

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 荷電共役変換に対して不変なら 時間反転に対して不変なら Ci’=0 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

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 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.

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. 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

CP対称性の破れ K中間子 J.H.Christenson et al, PRL13(1964)138. 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

CP対称性の破れ B中間子 sin(2f1) BaBar SLAC PRL 86 (2001) 2515 Belle KEK 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

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。 13/34 PDG, JPG33(2006)1

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。 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。

master’s thesis Marc van Veenhuizen 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

16/34 2. いままでの実験 係数D n 19Ne 係数R 8Li

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

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) 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

19/34 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

実験例1 中性子(つづき) 世界平均 ILL Grenoble, PLB581(2004)49. 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

実験例2 19Ne19F+e++ne (半減期=17.3秒) 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

22/34 実験例2 19Ne(つづき) 検出器 生成装置

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 23/34 Current Limits (x10-3) ILL ‘04 Princeton ‘84 BNL ‘80 KEK ‘02 FNAL ‘88

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

実験例3 8Li(半減期838ms) R.Huber et al., PRL90(2003)202301. 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

26/34 実験例3 8Li(つづき) Pb analyzer foil

実験例3 8Li(つづき) R=(0.9 +/- 2.2)x10-3 RFSI=0.7x10-3 with 10% accuracy 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

Leptoquark search at ZEUS-HERA (e+p sqrt(s)~300GeV) 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。

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。 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。

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

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 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)

3. これからの実験 KVI RIKEN Barkley などなど TRImP 立教・理研・東工大 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。

33/34 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

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。 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。

補足スライド

EDM(電気双極子モーメント)

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

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

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/