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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
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
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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
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ベータ崩壊とは
 崩壊 ( Z , A)  ( Z  1, A)  e  e


  崩壊 ( Z , A)  ( Z  1, A)  e   e
軌道電子捕獲 ( Z , A)  e   ( Z  1, A)  ve
弱い相互作用だけなら
日本語版Wikipediaより
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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.
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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。
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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)


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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
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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.
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β崩壊における
P対称性の破れ, 係数A


呉健雄
T.D.Lee and C.N.Yang, PR104(1956)254.
C.S.Wu et al., PR105(1957)1413.
(GT) 60Co(5+)60Ni(4+)
g(E2) 60Ni(2+)
g(E2) 60Ni(0+)
β:0度と180度
磁場の向きを変えた
γ:0度と90度
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CP対称性の破れ K中間子



KL
J.H.Christenson et al,
PRL13(1964)138.
KSとKLはK0(ds-bar)とK0bar(d-bars)の混合状態でCP
の固有値が+と-。
KL(CP=-1)pp(CP=+1)
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CP対称性の破れ B中間子
sin(2f1)
Belle KEK
PRL 87 (2001) 091802
BaBar SLAC
PRL 86 (2001) 2515
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T対称性の破れ K中間子

CPLEAR, PLB444(1998)43.
K 0  K 0とK 0  K 0とで移り変わる速さが違う。
PDG, JPG33(2006)1
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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。
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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
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2. いままでの実験

係数D
–n
– 19Ne

係数R
– 8Li
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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
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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
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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
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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
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実験例2 19Ne19F+e++e
(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

Frank. P. Calaprice
130時間
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実験例2 19Ne(つづき)


検出器
生成装置
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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

n  pe  e

19
Ne19Fe  e

K 0  p  m  m

K   p 0 m  m

   ne  e
Current Limits (x10-3)

ILL ‘04
 0.3  0.7 J n   pe  p p 

0.1  0.6 J Ne   p e  p F  Princeton ‘84
 

BNL ‘80
1.7  5.6 pm   pp   m 
3.3  3.7
110  100


 

pm   pp   m 
  
J    pe  p n 
KEK ‘02
FNAL ‘88
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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
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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

7
Li (d , p) 8 Li
8
Li 8 Be  e -  e
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実験例3 8Li(つづき)
Pb analyzer foil
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実験例3 8Li(つづき)
 CT  CT ' 

R  Im
 CA 
1
3



R=(0.9 +/- 2.2)x10-3
RFSI=0.7x10-3 with 10% accuracy
Q=+/-2/3e, spin-0(scalar)
leptoquark
– mLQ>560GeV/c2
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Leptoquark search at ZEUSHERA (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。
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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。
http://www-nh.scphys.kyoto-u.ac.jp/~hal/bird/p3_2002/happyoukai.html
n
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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)





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3. これからの実験

KVI
– TRImP



• KVI goes for
• 21Na (3/2+3/2+ ; t1/2=22.5 s)
• 20Na(2+ 2+ + a/g ; t1/2 =0.5 s)
( Rate of in-trap decays 105/s)
(1/2+1/2+ ; t1/2=17.3 s)
23Mg (3/2+3/2+ ; t =11.3 s)
1/2
19Ne
http://webdoc.kvi.nl/public/pub_doc/
Penning trap
RIKEN
– 立教・理研・東工大


Barkley



液体窒素・supersonic gas jet
http://weak0.physics.berkeley.edu/weakint/research/ne
on/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。
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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
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.utokyo.ac.jp/~oda/P3/article.html
nucl-ex/0605029
2002年度P3卒論
– http://www-nh.scphys.kyotou.ac.jp/~hal/bird/p3_2002/2002P3b.pdf
– http://www-nh.scphys.kyotou.ac.jp/~hal/bird/p3_2002/