学問の流れ クォークセクタにおけるフレイバー物理

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1 学問の流れ クォークセクタにおけるフレイバー物理
学問の流れ クォークセクタにおけるフレイバー物理 高エネルギー 野村　正 Contents フレイバー物理のめざすもの CP非保存、so far K中間子による探求 B中間子による探求 これからの展開 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

2 フレイバー物理のめざすもの フレイバーと相互作用
フレイバー物理のめざすもの フレイバーと相互作用 3世代のクォークとレプトン 相互作用 とりあえず３つだけで… 電磁相互作用　g 電荷に絡む 弱い相互作用　W±,Z フレイバーに絡む 強い相互作用　g 色に絡む　クォークだけ 第一 第二 第三 電荷 クォーク u c t +2/3 d s b -1/3 レプトン ne nm nt e m -1 弱い相互作用では P対称性、CP対称性が 破れている March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

3 フレイバー物理のめざすもの CP対称性の破れの源を探る
粒子反粒子のバランスはなぜ崩れている？ 宇宙はほとんど「物質」でできているようだ 始まりは粒子と反粒子の数は同じだったはず バランスを崩すための3条件（サハロフ） バリオン数を保存しない相互作用 C,　CP対称性の破れ 「非」熱平衡状態 これらの存在が必要 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

4 フレイバー物理のめざすもの 弱い相互作用 in the Standard Model
荷電カレント ⇒ フレイバー状態間の遷移 “Up”クォーク（u,c,t）　⇔　“Down”クォーク（d,s,b） 荷電レプトン（e,m,t）　⇔　ニュートリノ（ne,nm,nt） 質量の固有状態　≠　相互作用の固有状態 世代間の混合 混合時の位相が CPの破れを引き起こす March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

5 フレイバー物理のめざすもの Cabbibo-Kobayashi-Maskawa行列
3世代の必要性と位相の導入 Wolfensteinパラメータによる記述 sinqc=l (0.22); qcはCabbibo角(=q12) Al2sin q23 (0.04) 第一、第三世代混合に複素位相を押し込める March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

6 フレイバー物理のめざすもの ユニタリティ三角形
フレイバー物理のめざすもの ユニタリティ三角形 CKM行列のユニタリ条件　V†V=VV†=1 ６つの対角成分条件と６つの非対角成分条件 ユニタリティ三角形 非対角成分条件を 幾何的に表現 （例）b-dラインでの条件VudVub*+VcdVcb*+VtdVtb*=0 (1,0) a(f2) g(f3) b(f1) VudVub*/Al3 VcdVcb*/Al3 VtdVtb*/Al3 (0,0) (r,h) 面積=J/2 　J≈A2l6h ⇒三辺が同オーダー O(Al3) 　　の組み合わせ (1-l2/2)×Al3(r+ih) -l×Al2 Al3(1-r-ih) March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

7 フレイバー物理のめざすもの 標準模型の検証
フレイバー物理のめざすもの 標準模型の検証 実験の課題は？ CKM行列パラメータの精密測定 三角形の辺、内角、高さ 標準模型からのずれ 異なるダイアグラムで 相互チェック ⇒異なる始状態（KとB） ⇒終状態（フレイバー）の異なる過程 a(f2) g(f3) b(f1) B→pp B→J/yK KL→p0nn K+→p+nn 非常に重要 New physicsへの窓 なぜなら物質・反物質差を説明するためには CKM行列位相によるCPの破れは小さすぎるから March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

8 K中間子 B中間子 KL→p+p- KL→p±l∓n（荷電非対称）、 KL→p+p-e+e-（pp平面とee平面の角度非対称）
CP非保存、so far 歴史と現在 K中間子 KL→p+p- KL→p±l∓n（荷電非対称）、 KL→p+p-e+e-（pp平面とee平面の角度非対称） KL→2p における 『 e’ / e 』 B中間子 B→J/ψK B→pp CP非保存の発見（1964） CPの直接的破れ（1988、99/01） Bでの最初のCP非保存（2001） March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

9 K中間子での探求 KL→p+p- ： CPの破れの発見
Princetonグループによる実験 (J.Christenson et al., 1964) BNLのAGS加速器での実験 Spark chamberを使ったダブルアームスペクトロメータ 45 p+p- イベントを観測 ⇒　B(KL→p+p-) ≈ 2.0x10-3 CPの破れの発見 CP ≈ -1 CP = +1 KL → p+p- March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

10 K中間子での探求 KL→p+p- ： CPの破れの発見
S= +1 S= -1 CP= +1 フレイバー固有状態の混合 CP固有状態 CP= -1 Weakの固有状態 直接的破れ　CP= -1 → +1 終状態　CP(p+p-)=+1 混合による破れ　CP= +1 → +1 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

11 K中間子での探求 KL→p+p- ： CPの破れの発見
CKM行列での混合 Box diagram (weakの４次) 実部: DmK, e ∝虚部 W d s ui K0 Vid Vjd V*js V*is uj ui, ,uj=u,c,t 回る q カップリング ループ tとt Im(Vtd V*ts)2 = 2A4l10 (1-r) h mt2 cとc Im(Vcd V*cs)2 = 2A2l6h mc2 tとc 2ImVtd V*tsVcd V*cs = 2A2l6h m2ln(mt2/mc2) h r (r,h) e ∝ ( C – r ) h の形になる　⇒ 右図 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

12 K中間子での探索 e’ / e : 直接的CPの破れ
e’ は DS=1遷移中の 直接的CP非保存の量を示す （混合はDS=2遷移） 二つの終状態アイソスピンの 干渉によって観測される “ペンギン”ダイアグラムの寄与 s q d W g Vid  Vis gluonic penguin p+p-, p0p0 s q d W g Vid  Vis EM penguin March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

13 K中間子での探索 e’ / e : 直接的CPの破れ
K0S,L→2pのアイソスピン解析 K0 は I=1/2 2p系は I=2 と I=0 の混合 (I=1,Iz=+1,0,-1 for p+,p-,p0) I=0とI=2への遷移の位相寄与の差分 DI=1/2ルールによる抑制(1/22) March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

14 K中間子での探索 e’ / e : 直接的CPの破れ
観測量 CERN FNAL NA48 (2001) (1.53±0.26)x10-3 KTeV (1999) (2.80±0.30) x10-3 NA31 (1993) (2.3±0.65)x10-3 E731 (1993) (0.74±0.52) x10-3 h r Im(VtdVts*)が効く ⇒高さに相当 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

15 B中間子での探索 B→J/yKS : BでのCP非保存の発見
B0→fCP B0→B0→fCP G(B0→ fCP) = |〈 fCP |B0(t)〉|2 = e-t/t |A|2[1+Iml sin(Dm･t)] - G(B0→ fCP) = |〈 fCP |B0(t)〉|2 = e-t/t |A|2[1-Iml sin(Dm･t)] 〈 fCP |B0〉=A, 〈 fCP |B0〉=A, 　l =(q/p)(A/A) - (|A|=|A| and |q/p|=1を仮定: 崩壊、混合、各々はCP保存) p,qは相互作用固有状態でのB0とB0の混合割合 - ) f B ( A CP d G + - = -Iml sin(Dm･t) March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

16 B中間子での探索 B→J/yKS : BでのCP非保存の発見
B0混合⇒崩壊⇒K0混合 B混合 崩壊 W d b t B0 Vtd V*tb d s c W Vcb  Vcs b B0 J/y K0 K混合 a(f2) g(f3) b(f1) VudVub* VcdVcb* VtdVtb* W d s c K0 Vcd V*cs 虚部は sin2b March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

17 B中間子での探索 B factory at KEK
KEKB asymmetric e+e- collider Two separate rings e+ (LER) : 3.5 GeV e- (HER) : 8.0 GeV bg = 0.425 ECM : GeV at (4S) Beamsize: sy 3 mm sx  100 mm ±11 mrad crossing angle Luminosity: (achieved) 1.13 x1034 cm-2s-1 Current: / 1.1A (LER HER) World highest Lum. Machine ! March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

18 B中間子での探索 B factory in the world
KEKB （日本） PEP II （米国） March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

19 B中間子での探索 Belle detector
m / KL detection 14/15 lyr. RPC+Fe CsI(Tl) 16X0 Aerogel Cherenkov cnt. n=1.015~1.030 Si vtx. det. 3 lyr. DSSD TOF conter SC solenoid 1.5T 8 GeV e- 3.5 GeV e+ March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

20 B中間子での探索 CP非対称の時間発展測定
U(4S)からスタート する コヒーレントB0B0 ⇒どちらかのBが崩壊するまで ブーストされたBの崩壊点を測定する 時間差に焼きなおす フレイバーを決める Flavor-tag (B0 or B0 ?) J/ KS e e z t=0 fCP Vertexing Reconstruction of B1 B2 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

21 B中間子での探索 B→J/yKS : f1 (b)の測定
fb-1 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

22 B中間子での探索 B→p+p- : f2 (a)の測定
基本的にはB→J/yKSと同じだが… Weak位相の異なる gluonic penguinの 寄与があり、 f2は正しく測れない a(f2) g(f3) b(f1) VudVub* VcdVcb* VtdVtb* d u W Vub  Vud b B0 p+ p- u W g Vtb  Vtd d b p+ p- B0 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

23 B中間子での探索 B→p+p- : f2 (a)の測定
CP非対称の時間発展 f2を求めるには… アイソスピン解析をして効果の関係を見る B0→p+p- 、B0→p0p0、 B+→p+p- Penguinの寄与 A = S sin(Dmt) + A cos (Dmt) CP 2Iml |l|2 + 1 S = = (1-A2)1/2 sin(2f2+2q) q p A l = xf |l|2 -1 |l|2 +1 A = (直接的CPの破れ) March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

24 B中間子での探索 B→p+p- : f2 (a)の測定
App= 0.15(stat) 0.07(syst) Spp= 1.00 0.21(stat) 0.07(syst) B0 tag B0 tag Dt (ps) Dt (ps) March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

25 B中間子での探索 B→p+p- : f2 (a)の測定
App ,Spp by Belle and Babar Belle claimed… Belle BaBar App No CPV ⇐ “ruled out at the %” App=0 ⇐ excluded 3.2s for any Spp Spp March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

26 さて、これからの展開ですが… 以下、偏りがあるのはお許し下さい これからの展開 これからの展開 March 3, 2004
これからの展開 これからの展開 さて、これからの展開ですが… 以下、偏りがあるのはお許し下さい March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

27 ⇒ K→pnn モードは有望である 実験的に非常に難しいが…
理論的にクリーンなモードが必要 理論と実験を結びつけるために 精密測定が必要 標準模型の綻びを見つけるために ⇒　 K→pnn モードは有望である 実験的に非常に難しいが… March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

28 B,Kをとおして見ても理論的にクリーン K系で三角形を構成できる ハドロン化の部分はよく測定された実験量を 使える Br(K+→p0e+n)
これからの展開 K→pnn B,Kをとおして見ても理論的にクリーン ハドロン化の部分はよく測定された実験量を 使える　Br(K+→p0e+n) K系で三角形を構成できる BNL-E787/949 a(f2) g(f3) b(f1) KL→p0nn K+→p+nn charmの寄与分 KEK-E391a KOPIO March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

29 これからの展開 K+→p+nn (BNL-E787/949)
Stopped Kaon p+の運動量、レンジ、 エネルギーを測定 粒子識別（p/m） 4p光子Veto 運動学的カットによる BG排除 黄色：MC ▲■：データ E787 2イベント E949 2002年 ??? March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

30 KL→p0nn はCPの直接的破れを見る 格好の過程である A(KL→p0nn) ∝ Im(Vtd) Br(KL→p0nn) ∝ |h|2
予想分岐比　～10-11 現在の実験上限　<5.9x10-7 (KTeV,2000) CKMの複素位相そのもの d n W Z Vts  Vtd s K0 p0 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

31 これからの展開 KL→p0nn (KEK-E391a)
KEK 12GeVPS KEK、大阪、山形、佐賀、シカゴ、FNAL、JINR、京都 感度10-9 ～10-10　 2004年2月より、物理ラン（4ヶ月の一発勝負） March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

32 これからの展開 KL→p0nn - KOPIO実験 -
BNLで予定されている KL→p0nn 測定実験 アメリカ、カナダ、ロシア、スイス、イタリア、日本（京都） ４０信号イベントの観測をめざす 陽子強度　100 TP / pulse　×　約3年 Ｓ／Ｎ比　２ 予想されるバックグラウンド Kp0p Kp0p+p Kp-e+ng March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

33 これからの展開 KL→p0nn - KOPIO Concept -
つまり「p0からの2g」と「他には何もない」 中性粒子 2g 崩壊 見えない 崩壊領域を覆うハーメチックVETO KL静止系でのKinematics 2g の vertex、不変質量を再構成 信号光子の位置、エネルギー、角度、時間を測定 マイクロバンチ陽子ビーム ⇒TOF測定（中性粒子の!!） ⇒KL静止系で適用可能 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

34 これからの展開 KL→p0nn - KOPIO Apparatus -
Beam  veto Shashlyk calorimeter 2X0 Preradiator Decay region March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

35 これからの展開 KL→p0nn - KOPIO prospect -
米国2005年NSF予算要求 RSVP（KOPIOを含む）建設は 米国2005年度からスタートとして予算要求された （次の10月からの予算年度!!） March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

36 これからの展開 KL→p0nn - KOPIO スケジュール -
H16 H17 H18 H19 H20 H21 H22 KOPIO全体 R&D 予算開始 建設予算開始 ビームライン完了 エンジニアリングラン／物理ラン AGS増強 μバンチテスト ビームライン建設 検出器量産 検出器インストール ビームラインテスト 検出器実地テスト・調整 初期物理ラン フル検出器による物理ラン 日本G (Catcher) 実機サイズプロトタイプ プロトタイプアレイ（小規模量産試験） 量産 インストール 実地テスト 較正・解析 PMT 鏡・エアロジェル Waveform Digitizer March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

37 として、Bの物理と共に これからのdecadeを代表する実験となる
これからの展開 K→pnn K→pnn実験は ユニークなK系での測定 標準模型へのチャレンジ として、Bの物理と共に これからのdecadeを代表する実験となる March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」

38 Summary クォークセクタにおけるフレイバー物理は CP非保存の探求 を中心に活発に進められている。
標準模型の検証のみならず 　Beyond the Standard Model へのあしがかりを探るものである。 京都グループは 　Kaonセクタでの精密測定 を軸にフレイバー物理に取り組んでいる。 March 3, 2004 物二教室発表会「学問の流れ」