Ｂファクトリーで何がわかるか フレーバー物理の最前線 Ｂファクトリーで何がわかるか フレーバー物理の最前線 高エネルギー加速器研究機構 幅 淳二
nm nt ne t b t b c s c s u d u d e e+ m- m+ t t+ まず復習 フレーバー（flavor）という概念 レプトン 反レプトン ミュー ニュートリノ nm m- 反ミュー m+ タウ t nt 反タウ t+ 電子 e ne 陽電子 e+ 反電子 クォーク 反クォーク トップ t ボトム b 反トップ t 反ボトム b 第三世代 チャーム c ストレンジ s 反チャーム c 反ストレンジ s 第二世代 アップ u ダウン d 反アップ u 反ダウン d 第一世代
反物質は、反陽子と反中性子でできた「反原子核」の周りを陽電子が回る「反原子」から構成される。 反原子、反物質そして反宇宙 陽電子 電子 実際に2002年ヨーロパのCERN研究所では、反水素原子の合成に成功している。 u d u d 陽子 反陽子 水素原子 反水素原子 反物質は、反陽子と反中性子でできた「反原子核」の周りを陽電子が回る「反原子」から構成される。
銀河系周辺を航行中に君たち知的生命体の存在を感知した。これからそちら（地球）に立ち寄って親善を深めたい。 ２００７年１１月１５日 対称だったはずの物質と反物質、しかし この宇宙には物質だけが残っているようにみえる 宇宙からの交信があった。 初めての「未知との遭遇」。歓迎準備で地球は大パニック！ 最初の乾杯はビール？ ワインより日本酒がお気に召すかも！ 中華料理が無難かしら？ そもそも地球の大気で窒息しない？ ？？？？？？ 銀河系周辺を航行中に君たち知的生命体の存在を感知した。これからそちら（地球）に立ち寄って親善を深めたい。
ある物理学者がふとつぶやいた ところでやつらは、反宇宙から来た反宇宙人じゃないだろうな。つまり、体も宇宙船も反物質からできている。 反物質は、反陽子と反中性子でできた「反原子核」の周りを陽電子が回る「反原子」から構成される。 だとしたら、地球の大気に触れたとたん、対消滅して大爆発だ。 大急ぎで確認するんだ。
反原子、反物質そして反宇宙 電子 u d u d 陽電子 水素原子 反水素原子
ところでどうやったら確認できる？ 「いい考えがある」 素粒子物理学者が言った。 「最近Ｂファクトリーで発見された現象を利用すればよい。」 交信は電磁波（つまり光子）を使ってる。反宇宙が相手でも区別はつかない。 粒子と反粒子は相対的な概念だ。反宇宙では反粒子が「普通」の粒子。「あなた方は反宇宙ですか」と尋ねてても意味はない。 電荷もまた相対的な概念だ。原子を回る電子の電荷の＋／－を尋ねても意味がない。
CP対称性研究のために粒子と反粒子をつくる 人工的に粒子と反粒子を作り出し、その性質の違いを探る。 違いが最も際立つと予想されるｂクオークのシステム（Ｂ中間子）にターゲットを絞る。 電子と陽電子（これまた粒子と反粒子）を加速、衝突させてＢ中間子のペアを大量生産する。（Ｂファクトリー）
電子陽電子衝突反応で素粒子のペアが製造可能
日光 筑波山 KEKB Rings Belle 高エネ研（KEK) Linac ＫＥＫとＫＥＫＢ加速器
粒子と反粒子：その違いをB中間子に探してみると・・・・・。 （－） e‐ e+ B p+ p- K- K+ 粒子と反粒子：その違いをB中間子に探してみると・・・・・。 10万回に一度ほど すべての粒子と反粒子は 全く対等な関係 観測された信号の強さ （事象数）に違いがある！ つまり粒子と反粒子で性質が異なる。 (区別できる現象がある。) < 950 1150
反宇宙人の見分け方を考えてみよう 中性Ｂ中間子を、正反それぞれ一億個ずつ用意する。 ご用命は、つくば・高エネルギー加速器研究機構まで。ただし生産には現在のところ約一年かかります。 どんどん崩壊しますがかまいません。なにせ寿命は１．５ピコ秒なので。 Ｋ中間子とπ中間子に崩壊した事象を選んで下さい。10万に一つですので見間違えのないようお願いします。 Ｋ中間子の符号（プラスとマイナス）で分類。事象の多かったのはどちらでしたか。 多かったＫ中間子の符号を、原子中で軌道を回る粒子（われわれの世界なら電子）の符号と比較。 我々の世界ではK中間子はプラスが多くて電子の符号はマイナス。 宇宙人に彼らの結果を尋ねなさい。 反対符号ならＯＫ！彼らはわれわれ同様、物質世界の通常宇宙人だ。握手をしても消滅しない。親善を深めよ。 だがもし、同符号なら・・・・
ヘリウム以上の反原子核は見つかっていない。 そもそも反宇宙は あるでしょうか？ ヘリウム以上の反原子核は見つかっていない。 気球による大気圏上空（３７ｋｍ）で探す反宇宙からの反物質ー （BESS）実験
粒子 反粒子 宇宙の始まりはビッグバン・・・ その直後、粒子と反粒子は 正確に同じ数作られた。 ホンの少しの性質の違い から粒子の数がわずかに （１０億分の一）多くなった。 やがて宇宙全体の温度が下がっていき、 「粒子」と「反粒子」は相手を見つけて次々消滅、現在の宇宙の エネルギー(光)となった。 わずかに残った「粒子」が、現在の宇宙の物質（星）や私たち生命となった。
当時は３種類のクォークしか見つかっていなかった！ 粒子・反粒子の非対称CP対称性の破れ 小林益川モデルの提唱（1973） ３世代６種類のクォークで定式化可能 当時は３種類のクォークしか見つかっていなかった！ 大胆な予想 小林誠 益川敏英 （その後すべてのクォークが発見された） いつノーベル賞でもおかしくない！
t b c s u d クォークの崩壊（１９７３以前） 小林・益川の要請 n p + e + n Kp + m + n CP非保存の説明 トップ t ボトム b CP非保存の説明 新たなクオークの 導入 J/yの発見 (1974) チャーム c ストレンジ s n p + e + n Kp + m + n アップ u ダウン d
小林・益川行列（KM matrix） クォークで描いてみよう 小林益川クォーク混合行列 Vab π＋中間子の崩壊 K＋中間子の崩壊 W+ Vab a2/3 クォークで描いてみよう π＋中間子の崩壊 K＋中間子の崩壊 Ｄ＋中間子のＫπ崩壊 Ｂ０中間子のＫπ崩壊 クオークの弱い相互作用基本形
小林益川行列とユニタリ三角形 ユニタリ三角形 (r, h) Vtb Vtd (0,1) (0,0)
再び中性B中間子のπK崩壊
短い寿命の間飛行した後ずっと軽いふつうの素粒子に分解(崩壊）する。 B中間子とその反粒子がペアとなって発生する。 ベストコンディション（１．７ X１０３４／cm２／秒） で毎秒１７ペアを量産 １億個÷１７÷６０÷６０÷２４＝６８日 電子（８ＧｅＶ） 陽電子（３．５ＧｅＶ） B B 10.58GeV/c2 ¡(4S) 短い寿命の間飛行した後ずっと軽いふつうの素粒子に分解(崩壊）する。 B中間子とその反粒子がペアとなって発生する。
d b d b Bファクトリーの２つのB中間子系 B0中間子 B0中間子 出来た瞬間は、フレーバーの固有状態 ダウン ボトム ダウン ボトム 反ボトム b ボトム 反ダウン B0中間子 ダウン d 反ボトム b ボトム 反ダウン
d b Bファクトリーの２つのB中間子系 B0中間子 出来た瞬間は、フレーバーの固有状態 片方がフレーバーの固有状態に ダウン d 反ボトム b 片方がフレーバーの固有状態に 壊れた瞬間、もう片方のフレーバー は定まっている。 これを、一つのB中間子が 「出来た瞬間」と再定義してやれば よい。
Time-dependent CP violation in B0 made by H. Miyake Mixing-induced CPV Direct CPV (A = -C )
２００６年夏の時点での実験結果 _ 535 M BB pairs B0 tag _ 535 M BB pairs _ sin2f1= 0.642 ±0.031 (stat) ±0.017 (syst) A = 0.018 ±0.021 (stat) ±0.014 (syst) Belle preliminary BELLE-CONF-0647
２００６年夏の時点での実験結果 _ 535 M BB pairs B0 tag _ 535 M BB pairs _ sin2f1= 0.642 ±0.031 (stat) ±0.017 (syst) A = 0.018 ±0.021 (stat) ±0.014 (syst) Belle preliminary BELLE-CONF-0647
f1 = (21 1)º f2 = (93 )º f3 = (60 )º f1 + f2 + f3 = (184 )º ユニタリー三角形 Ｂファクトリーで角度決定・・・・・高精度化更に進行中 1(b) 2(a) 3(g) Vtd Vtb Vcd Vcb Vud Vub * Dmd b d g b c l n b u l n f1 = (21 1)º f2 = (93 )º f3 = (60 )º +11 -9 +38 -24 f1 + f2 + f3 = (184 )º +20 -14
ユニタリー三角形の測定（２００７） http://ckmfitter.in2p3.fr/
Summary Ｂファクトリーは素粒子のフレーバーの謎を解き明かすユニークなマシンだ。 KEKB はルミノシティ性能で世界のトップを走り続けている。 ユニタリー三角形は予想を上回るはやさで、確定されつつある。 今後数年で１０億個のB中間子対を生産。 小林・益川理論の限界がみえるかも 標準理論を越えた新物理（超対称性理論など） クオークもレプトンも３世代。何か深い理由があるに違いない。そのヒントが見つかるか。