Fundamental Physics in Nuclear Beta-Decay Experiment

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1 Fundamental Physics in Nuclear Beta-Decay Experiment
Personal Motivation 基本相互作用の研究 = Physics beyond the Standard Model の探索 数人規模の実験でコライダーと競合 Nuclear Physics のバックグランドを生かす まだやられていない穴場、忘れられた穴場を探す 原子核のβ崩壊（半世紀前の実験スタイル） 短所：１．複合粒子である原子核は構造の不定性、空間的な広がりから基本相互作用の精密 研究には不向き 多種の原子核の系統的測定によってキャンセル 運動量依存性などの測定による補正項の評価 　　　　２．u, d クォークのみの系で、小林・益川機構による対称性の破れが強く抑制され、対称性 の研究に向かない 観測可能な対称性の破れはBYSMを意味する （CKMと区別する必要がない） 　　　　３．非常に低エネルギーの粒子検出が必要なので、実験技術的に難しい 腕の見せ所 　　　　４．不安定原子核の生成が難しい 理研（RIBF）-RIPS-Atomic Beam Polarizerの利用 長所：１．他の系に比べて統計が有利（不安定核の生成は比較的容易＠タンデム加速器など） 　　　　２．比較的小規模で実験が出来る。高エネルギー加速器が不要。 6/9/03 Colloquium

2 宇宙のバリオン数過剰 我々の宇宙における物質量と反物質量は非常に異なる
ビッグバンからバリオン数/反バリオン数の非平衡を生み出す必須条件（サハロフの3条件） CP-Violation Baryon Number Violation　　　　バリオン数非保存過程の存在 インフレーション　　　　　　　　　　　　　熱平衡の破れ 宇宙初期、何らかの理由でバリオン数が反バリオン数より多かった (T>200MeVなので、正しくはクォーク数） GUTで自然に説明可？ 熱平衡状態では非対称は生じない。宇宙の急激な膨張により熱平衡が破れる事が不可欠 標準理論 電磁相互作用 弱い相互作用　　　　　電弱相互作用 　　　　　　　　　　　　　　強い相互作用　　　　　大統一理論 重力　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　超対称性理論 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　超弦理論、M理論 6/9/03 Colloquium

3 ビックバン宇宙論 6/9/03 Colloquium

4 Parity Violation P (Parity) Violation = 空間反転対称性の破れ
Parity Violation T.D.Lee & C.N.Yang Parity non-conservation in weak interaction (q-t　puzzle ) pion spin parity = 0- パリティが保存するなら、　パリティの異なる別粒子となる パリティは弱い相互作用で保存されない、とした Parity Violation in Polarized 60Co 1957 C.S.Wu β線放出角度分布がスピン軸に関して非対称 Parity 変換（ r → －r ）で、 運動量（極性ベクトル） p → －p 角運動量（軸性ベクトル） J → J 擬スカラー J・p → －J・p パリティ保存 ＝ 擬スカラー量は0 Standard Model の説明： Weak Bosonがパリティを破る結合をする Parity Violationを精密に測定するとSMの 検証が可能 6/9/03 Colloquium

5 Parity Violation in RHIC-Spin
Parity Violation on Drell-Yan process, Jet production Including Interference Contribution between Weak Interaction & QCD etc. proton proton sub-quark quark contact interaction sub-quark quark q, l q’, l’ jet Drell-Yan quark (lepton) Form Factor q, l q’, l’ 6/9/03 Colloquium

6 CP Invariance C (Charge Conjugation) Violation (粒子・反粒子反転) ニュートリノ：全て左巻き
反ニュートリノ：全て右巻き 実はWuの実験でCは破れている （CA’～CAが純虚数でない。GT遷移） CP変換に対しては不変　 (CP 左巻きニュートリノ → 右巻き反ニュートリノ) CP Violation 1964 J.Cronin & V.Fitch Discovery of CP-Violation at BNL-AGS KL,KSがCP固有状態で、CPが保存されるならKsは２π（CP+）に、 KL は3π (CP-)に100％崩壊する。 0.2%程度、KLが2πに崩壊する場合がある。つまり、 KLはCP固有状態 の混合状態となっている。 Superweak Interaction → 混合を生成 (1964 L.Wolfenstein) 1974 小林・益川　直接の破れも含む理論 6/9/03 Colloquium

7 Origin of the CP Violation
In Standard Model : CP-Violation = Complex Phase in CKM-Matrix CKM行列に虚数成分があるとCP変換で符号が変わる 2ｘ２行列だと全て実数で書けるのでクォークの世代は 3世代以上必要になる CKMが正しいかはまだわからない CKM機構では、軽いudクォークの系ではCP-Violationは強く抑制される 　　　 →　K, B中間子の系でさかんに実験 これまでの結果：全て混合効果のみ。CPの直接の破れ（相互作用によるもの）は未発見 KEKBでCPの間接的な破れは観測されたが起源は謎のまま 6/9/03 Colloquium

8 T-Violation CPT Theorem 局所場の方程式がLorentz変換に対して不変であれば 相互作用はCPT不変となる
これが正しければ（検証実験続行中）、 CP-Violation は T-Violation と同義 超冷中性子（E<10-7eV）の電磁場中での歳差運動 ラーモア歳差運動の振動数 電場の向きを変えて振動数の差を検出する Neutron: 6x10-26ecm Electron: 0.07x10-26ecm 1998 Discovery of T-Violation CERN-CPLEAR & KTeV Experiments T Conservation T-Violation in K0-K0bar Mixing State (CP-Violationと同起源？) CKMによる説明 6/9/03 Colloquium

9 Transverse Polarization
KEK-PS E246 崩壊面と垂直方向のmuonの偏極度の測定 Transverse Nuclear Polarization 6/9/03 Colloquium

10 Transverse Nuclear Polarization
T P Position r r r Momentum p - p p Spin s s s Electric Field E E E Magnetic Field B - B B Magnetic Dipole Moment s・B s・B s・B Electric Dipole Moment s・E - s・E s・E Transverse Polarization s・(p1xp2) - s・(p1xp2) s・(p1xp2) 6/9/03 Colloquium

11 Beta Decay Experimental Observable
Beta Decay = Three Body Decay Very Low Energy Possible Observable Momentum: Electron, Neutrino n n momentum determination pn = - ( pe + precoil ) Recoil Ion Measurement Polarization: Initial Nuclei, Electron Invisible b Copyright WITCH collab. 6/9/03 Colloquium

12 Phenomenological Formalism and Requirements
a-coefficient electron momentum, neutrino momentum (recoil energy) [bn corr.] (Recoil Ion Detection) D-coefficient electron momentum, neutrino momentum, Ion polarization [T-odd, P-even] (Recoil Ion Detection) R-coefficient electron momentum, Ion polarization, electron polarization [T-odd, P-odd] Unpol. Cold RI Decay Exp a-coefficient, R-coefficient Polarized Cold RI Decay Exp D-coefficient T-Violation Exp. = Final Goal ! (Needs Atomic Beam Polarizer) Requirements AFARA - As Free As Reasonably Achievable Slow, Cold : Kinetic Energy << Recoil Ion Energy of ~ 100 eV (Neutral Atomic Beam) Low Statistics Ion Trap ~ Good but not ideal …(because of the EM field) High Statistics 6/9/03 Colloquium

13 Current Limit and Model Predictions
Current Limits (x10-3) Final State Int. ~ 2.6x10-4(19Ne) αZm/p emiT ‘02 Princeton ‘84 BNL ‘80 KEK ‘02 FNAL ‘88 Model Prediction on D CKM < Included in SM q-QCD < CP-Violation in QCD SUSY (Higgs) < Multiple Higgs generate Complex CKM Phase Left-Right Symmetry < Spontaneous Symmetry Breaking Leptoquark(P-even) < Combination of lepton & quark 6/9/03 Colloquium

14 Princeton Polarized 19Ne Experiment (1984)
6/9/03 Colloquium

15 Beta-neutrino Correlation
Hunting New Interaction (Physics Beyond the Standard Model) New Gauge Boson, Leptoquark, ,,, | Standard Model Weak Boson + New Interaction | 2 Interference Term ( fine modification to SM prediction ) Interaction Properties bn correlation n momentum determination pn = - ( pe + precoil ) WR Mass Limits Beta decay 320GeV Muon decay 430GeV KL-KS Mass Diff. 1.6TeV D GeV New Gauge Boson, Leptoquark, ,,, Sensitive on the Large Extra Dimension ? 6/9/03 Colloquium

16 New Experimental Approach
All the existing experiments = Recoil energy spectrum measurements CERN-ISOLDE-WITCH bn corr. Single Recoil Spectra Direct Measurement by particle tracking b+-I corr. 6/9/03 Colloquium

17 Detector Setup for a and D Exp.
TOF , Hit Position, Vertex Ion Momentum Delay Line Anode Wedge&Strip Anode Delay Line Drift Chamber Micro Sphere Plate ~70 micron ~50 micron (slow) Electron Polarimeter ? 6/9/03 Colloquium ~100 micron Gas Jet Profile TOF Resolution , Detector Length

18 Sensitivity and Required Statistics
Assumptions: 1. RARF Intensity 2. 100% Stopping 3. 99% Loss in Traps 4. V=200m/s with 2m detector 5. Acceptance & Eff. 1% Shooting Ne Isotopes Aiming 0.5% level (first step) 6/9/03 Colloquium

19 RI Beam Buffering Only for Noble Gas ! 6/9/03 Colloquium
High Pressure – Long SF6 Gas Stopping Buffer + Cold Trap + Chemical Filters Only for Noble Gas ! Cold Parallel Atom Beam using Lavar Nozzle (supersonic gas jet) LBL 88’ cyclotron 15MeV proton 19F(p,n)19Ne SF6 Gas Target ORNL reactor 9Be(n,alpha)6He H2O Vapor 6/9/03 Colloquium

20 Experimental Configuration
RIBF Test 戻しBL ? High Pressure – Long SF6 Gas Stopping Buffer + Cold Trap + Chemical Filters Unpol. Noble Gas Cold Parallel Atom Beam using Lavar Nozzle (supersonic gas jet) 6/9/03 Colloquium RARF (R&D) - RIBF

21 Atomic Beam Spin Polarizer at RIKEN
6/9/03 Colloquium

22 Experimental Area at RIBF
6/9/03 Colloquium

23 Models of Physics Beyond the Standard Model
New Gauge Boson String Theory E6 ,GUT SO(10) SU(2)RxSU(2)LxU(1) SU(2)LxU(1) Restore Left-Right Symmetry in High Energy Contact Interaction, Composite Quark & Lepton Mass Eigenstates M2>720GeV (D0) WR = Righthanded Charged Current q, l 　q’, l’ q, l 　q’, l’ quark (lepton) Form Factor 6/9/03 Colloquium Modifications in bn Coefficients

24 Nuclear Physics Approach
Determination of the V-A Structure by a-coefficient Weak Interaction: V-A structure, Weak Boson quark model, Cabibbo rotation GWS (Electroweak Theory) = SM CV: CVC (weak magnetism) CA~-1.26CV: QCD Correction Nuclear Medium Effect CKM Unitarity Crisis |Vud| from Fermi Decay Ft Values |Vud|2+|Vus|2+|Vub|2= Righthanded Charged Current ? Hunting Scalar Interaction 32Ar Fermi Decay, E.G.Adelberger PRL83 (1999) T.D. Lee and C.N. Yang, Phys.Rev.104 (1956) 6/9/03 Colloquium A-coefficient = Parity Violation

25 High Energy Physics Approach
Direct Indirect TEVATRON 2TeV Pol-exp. HERA pol-DIS (~300GeV) RHIC-Spin pol-pp 500GeV CDF DY LHC 14TeV 2006- VLHC TeV ??? Parity Violation at RHIC (Jet) Lepton Collider: NLC (Next Linear Collider) ,1,1.5TeV NNLC (Next-to-Next Linear Collider) 5TeV LMC (Large Muon Collider) TeV 6/9/03 Colloquium