ベータ崩壊におけるベータ崩壊における時間反転対称性の検証 時間反転対称性の検証

織田勧織田勧東京大学東京大学 CNS CNS 浜垣研浜垣研 D2D2

20062006 年年 1212 月月 11 日日 (( 金金 ) ) 若手コロキ若手コロキウムウム

1/34

ベータ崩壊における時間反転対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。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宇宙の物質・反物質の非対称性の起源を理

解する。解する。– サハロフのサハロフの 33 条件条件

CPCP 対称性の破れ対称性の破れ (T(T 対称性の破れ対称性の破れ )) バリオン数の破れバリオン数の破れ 熱力学的な非平衡過程が必要。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。ばず跳ね返されました。– なかなか大変です。なかなか大変です。

アンドレイ・サハロフ

2/34

1.1. 導入導入 ベベベベベベ崩壊とは崩壊とは LorentzLorentz 不変性のみ要求した最も一般的なハミルトニアン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時間反転対称性とは 物理量の変換性物理量の変換性 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核のスピンを測る場合 ββ 崩壊における崩壊における PP 対称性の破れ対称性の破れ , , 係数係数 AA CPCP 対称性の破れ 対称性の破れ KK 中間子中間子 CPCP 対称性の破れ 対称性の破れ BB 中間子 中間子 sin(2sin(211)) TT 対称性の破れ 対称性の破れ KK 中間子中間子 いろいろないろいろな ββ 崩壊をたくさん測った結果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逆に言えば未知の物理の探索に使える

3/34

ベベベベベベ崩壊とは崩壊とは

e

e

e

vAZeAZ

eAZAZ

eAZAZ

),1(),(

),1(),(

),1(),(

軌道電子捕獲

崩壊

崩壊

日本語版 Wikipedia より

弱い相互作用だけなら

4/34

LorentzLorentz 不変性のみ要求し不変性のみ要求した最も一般的なハミルトニアた最も一般的なハミルトニアンン

ScalarVectorTensorAxial vectorPseudo scalar

J.D.Jackson et al., PR106(1957)106.

5/34

時間反転対称性とは時間反転対称性とは C : C : 荷電共役変換 粒子→反粒子荷電共役変換 粒子→反粒子 P : P : 空間反転 空間反転 rr→-→-rr T : T : 時間反転 時間反転 t→-tt→-t CPTCPT 定理定理

– 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。粒子と反粒子の寿命は等しい。

– CPCP 対称性が破れたら、対称性が破れたら、 TT 対称性も破れる。対称性も破れる。

6/34

物理量の変換性物理量の変換性

PP 変換変換 TT 変換変換

座標座標 xx

運動量運動量 pp

角運動量角運動量 L(=px)L(=px)

LL ・・ pp

pp ・・ qq

LL ・・ (Jxp)(Jxp)

LL ・・ (pxq)(pxq)

7/34

ハミルトニアンが変換に対しハミルトニアンが変換に対して不変ならて不変なら 空間反転に対して不変なら空間反転に対して不変なら

– CCii’=0’=0 荷電共役変換に対して不変なら荷電共役変換に対して不変なら

– CCii== 実数、実数、 CCii’=’= 虚数虚数 時間反転に対して不変なら時間反転に対して不変なら

– CCii, C, Cii’=’= 実数実数

8/34

ベータ崩壊で電子とニュートリノの運動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量とスピンと、原子核のスピンを測る場合合

J.D.Jackson et al., NP4(1957)206.

9/34

ββ 崩壊における崩壊におけるPP 対称性の破れ対称性の破れ , , 係数係数 AA T.D.Lee and C.N.Yang, PR104(1956)25T.D.Lee and C.N.Yang, PR104(1956)25

4.4. C.S.Wu et al., PR105(1957)1413.C.S.Wu et al., PR105(1957)1413.

呉健雄

(GT) 60Co(5+)60Ni(4+) (E2) 60Ni(2+)(E2) 60Ni(0+)

γ:0 度と 90 度

β:0 度と 180 度磁場の向きを変えた

10/34

CPCP 対称性の破れ 対称性の破れ KK 中間子中間子

J.H.Christenson et al, PRL13J.H.Christenson et al, PRL13(1964)138.(1964)138.

KKSS とと KKLL はは KK00(ds-bar)(ds-bar) とと KK00-b-bar(d-bars)ar(d-bars) の混合状態での混合状態で CPCPの固有値がの固有値が ++ とと -- 。。

KKLL(CP=-1)(CP=-1)(CP=+1)(CP=+1)

KL

11/34

CPCP 対称性の破れ 対称性の破れ BB 中間子中間子sin(2sin(211))

Belle KEKPRL 87 (2001) 091802

BaBar SLACPRL 86 (2001) 2515

12/34

TT 対称性の破れ 対称性の破れ KK 中間子中間子

CPLEAR, PLB444(1998)43.CPLEAR, PLB444(1998)43.

PDG, JPG33(2006)1

0000 KKKK と とで移り変わる速さが違う。

13/34

いろいろないろいろな ββ 崩壊をたくさ崩壊をたくさん測った結果ん測った結果

V-AV-A 型型

ββ 崩壊崩壊 (u(u クォークとクォークと dd クォークの系クォークの系 )) におにおいていて TT 対称性対称性 (CP(CP 対称性対称性 )) の破れは非常にの破れは非常に小さい。小さい。

14/34

逆に言えば未知の物理の探索逆に言えば未知の物理の探索に使えるに使える

KVI Trip Theory groupmaster’s thesis Marc van Veenhuizen

emiT collaboration, PRC62(2000)055501.

Final State Interaction due to weak magnetism

15/34

2. 2. いままでの実験いままでの実験16/34

係数係数 DD– nn– 1919NeNe

係数係数 RR– 88LiLi

係数係数 DD を測るを測る

始状態の核が偏極していること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終状態の核の反跳を測れること

– ニュートリノの代わりニュートリノの代わり

17/34

実験例実験例 1 1 中性子中性子陽子・電子陽子・電子・反電子ニュートリノ・反電子ニュートリノ (( 半減期半減期614614 秒秒 )) emiT @NIST Center for Neutron ResearchemiT @NIST Center for Neutron Research

– http://ewiserver.npl.washington.edu/emithttp://ewiserver.npl.washington.edu/emit– PRC62(2000)055501PRC62(2000)055501– 20MW 重水炉

京大研究用原子炉 5MW– データ収集時間データ収集時間 ~2400~2400 時間時間– 40K40K

18/34

実験例実験例 1 1 中性子中性子 (( つづきつづき ))

電子：プラスチックシンチレーター陽子： PIN ダイオード

19/34

実験例実験例 1 1 中性子中性子 (( つづきつづき ))

DDnn=[-0.6 +/- 1.2(stat) +/- 0.5(syst)]x10=[-0.6 +/- 1.2(stat) +/- 0.5(syst)]x10 -3-3

世界平均世界平均– DDnn=[-5.5 +/- 9.5]x10=[-5.5 +/- 9.5]x10-4-4

– Phase of gPhase of gAA/g/gVV=180.073 +/- 0.12 (deg)=180.073 +/- 0.12 (deg)

ILL Grenoble, PLB581(2004)49.ILL Grenoble, PLB581(2004)49.– DDnn=[-2.8 +/- 6.4(stat) +/- 3.0(syst)]x10=[-2.8 +/- 6.4(stat) +/- 3.0(syst)]x10-4-4

– 5050 日間日間– 58MW58MW 重水炉重水炉– 25K25K

20/34

実験例実験例 2 2 1919NeNe1919F+eF+e++++ee

(( 半減期半減期 =17.3=17.3 秒秒 ))

F.P.Calaprice et al., Princeton UniveristF.P.Calaprice et al., Princeton Univeristyy

PRL52(1984)337PRL52(1984)337

1919F(p,n)F(p,n)1919Ne, SFNe, SF66 ガスガス Stern-GerlachStern-Gerlach 磁石で偏極させる。磁石で偏極させる。

– 磁場勾配磁場勾配 130130 時間時間

Frank. P. Calaprice

21/34

実験例実験例 2 2 1919Ne(Ne( つづきつづき ))

検出器検出器 生成装置生成装置

22/34

実験例実験例 2 2 1919Ne(Ne( つづきつづき ))

D=(4 +/- 8)x10D=(4 +/- 8)x10-4-4

以前の結果と合わせると以前の結果と合わせると– D=(1 +/- 6)x10D=(1 +/- 6)x10-4-4

Current Limits Current Limits (x10(x10-3-3))

e

e

e

ne

K

K

FeeN

pen

0

0

1919

100110

7.33.3

6.57.1

6.01.0

7.03.0

ne

FeNe

pen

ppJ

pp

pp

ppJ

ppJ

ILL ‘04ILL ‘04

Princeton ‘84Princeton ‘84BNL ‘80BNL ‘80

KEK ‘02KEK ‘02

FNAL ‘88FNAL ‘88

23/34

係数係数 RR を測るを測る

始状態の核が偏極していること始状態の核が偏極していること 電子のスピンを測る電子のスピンを測る

– MottMott 散乱散乱

24/34

実験例実験例 3 3 88Li(Li( 半減期半減期838ms)838ms) R.Huber et al., PRL90(2003)202301.R.Huber et al., PRL90(2003)202301. PSI, polarized deuteron beam(0.9PSI, polarized deuteron beam(0.9A, 10MeV)A, 10MeV) 5mm diameter 99.9% 5mm diameter 99.9% 77Li rodLi rod

e-88

87

eBeLi

Li),(Li

pd

25/34

実験例実験例 3 3 88Li(Li( つづきつづき ))

Pb analyzer foil

26/34

実験例実験例 3 3 88Li(Li( つづきつづき ))

R=(0.9 +/- 2.2)x10R=(0.9 +/- 2.2)x10-3-3

RRFSIFSI=0.7x10=0.7x10-3-3 with 10% accuracy with 10% accuracy

Q=+/-2/3e, spin-0(scalar) leptoquQ=+/-2/3e, spin-0(scalar) leptoquarkark– mmLQLQ>560GeV/c>560GeV/c22

A

TT

C

CCR

'Im3

1

27/34

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

Phys.Rev. D68 (2003) 052004.

低エネルギーの実験の方がより良い下限を与えている。

D0, CDF, Tevatron, FNAL

28/34

わたしの卒研わたしの卒研 (( 京都大学京都大学20022002 年度年度 )) F.P.CalapriceF.P.Calaprice たちと同じようにたちと同じように 1919NeNe で係数で係数 DD を測定したいを測定したい

と思いました。と思いました。 1919NeNe のの生成生成、偏極、測定、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

粉末粉末 (CF(CF22)) を標的に使いました。を標的に使いました。 タンデム加速器のタンデム加速器の 12MeV12MeV の陽子ビームを使いの陽子ビームを使い (p,n)(p,n) 反応で反応で 1919

NeNe を作りました。を作りました。– 100nA, 12MeV100nA, 12MeV で毎秒約で毎秒約 101088 個の個の 1919NeNe が生成される。が生成される。

粉末中から粉末中から 1919NeNe はガスとして出て来ました。はガスとして出て来ました。 出て来た出て来た 1919NeNe を借物のを借物の 5mm5mm 四方の口の開いた永久磁石でで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。きた四重極磁石で偏極させる予定でした。– |dB/dx|=150T/m|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。上げる予定でした。

29/34

n

http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/~hal/bird/p3_2002/happyoukai.html30/34

1919NeNe が良いのはが良いのは スピンがスピンが 1/21/2 でで 00 でないでない F(F( フッ素フッ素 Z=9, A=19)Z=9, A=19) は同位体がないは同位体がない FF にに 10MeV10MeV の陽子ビームを照射した時に生成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されるバックグラウンドとなるのは 1515O(O(1919F(p,F(p,n+n+))1515O)O) だけだけ

標的となる物質が存在する標的となる物質が存在する , SF, SF66, CF, CF22 ZZ が小さいが小さい 気体気体

こういう性質の原子核はなかなかないこういう性質の原子核はなかなかない (( はずはず ))

31/34

3. 3. これからの実験これからの実験 KVIKVI

– TRITRIPP http://http://webdoc.kvi.nl/public/pub_docwebdoc.kvi.nl/public/pub_doc// Penning trapPenning trap

RIKENRIKEN– 立教・理研・東工大立教・理研・東工大

液体窒素・液体窒素・ supersonic gas jetsupersonic gas jet BarkleyBarkley

http://weak0.physics.berkeley.edu/weakint/research/neon/inhttp://weak0.physics.berkeley.edu/weakint/research/neon/index.htmldex.html

laser cooling and atom trapping laser cooling and atom trapping などなどなどなど

– ベータ崩壊するベータ崩壊する RIRI を作るのは簡単だけど偏極させるを作るのは簡単だけど偏極させるのは大変ですよね。のは大変ですよね。

• 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)

32/34

http://www.ne.rikkyo.ac.jp/~jiro/presen/ne-collo-03-pre.ppthttp://triac.kek.jp/events/2ndSSRI/pdf/S3-4murata.pdfhttp://www.rikkyo.ac.jp/~jiro/subfiles/files/RIBF2006.pdf

33/34

4. 4. まとめまとめ

ベータ崩壊における時間反転対称性の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。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。多くの巧妙な実験が行なわれてきた。 今後の進展には今後の進展には RIRI を偏極させる技術を偏極させる技術

のブレークスルーが必要だろう。のブレークスルーが必要だろう。

34/34

補足スライド補足スライド

EDM(EDM( 電気双極子モーメン電気双極子モーメントト ))

Laser optical pumpingLaser optical pumping

PRC52(1995)R464PRC52(1995)R464– 3636KK

J=2, ECJ=2, EC

ガス標的と偏極ビームはガス標的と偏極ビームは ??

偏極陽子ビーム偏極陽子ビーム CFCF44 ガス標的ガス標的 偏極移行偏極移行 弱い磁場弱い磁場 DepolarizationDepolarization CFCF44 + Time projection chamber + Time projection chamber とかとか

参考文献一覧参考文献一覧

http://www.cns.s.u-tokyo.ac.jp/~ohttp://www.cns.s.u-tokyo.ac.jp/~oda/P3/article.htmlda/P3/article.html

nucl-ex/0605029nucl-ex/0605029 20022002 年度年度 P3P3 卒論卒論

– http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/~hal/bird/p3_2002/2002P3b.pdf~hal/bird/p3_2002/2002P3b.pdf

– http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/~hal/bird/p3_2002/~hal/bird/p3_2002/