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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
1
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
インフレーション
 B  ( CPV )  ( BNV )
バリオン数非保存過程の存在
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）
BB
 10
9
GUTで自然に説明可？
B
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
重力
大統一理論
超対称性理論
超弦理論、M理論
6/9/03 Colloquium
2
ビックバン宇宙論
6/9/03 Colloquium
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Parity Violation
P (Parity) Violation = 空間反転対称性の破れ
Parity Violation 1956 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
0

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
 p
W ( )  1  A J 
E
4
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’
F (Q ) 
2
q, l
q’, l’
jet
1
1 Q / 
2
2
Drell-Yan
quark (lepton)
Form Factor
6/9/03 Colloquium
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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。
  




(K L    )
(K S    )
 ( 2 . 258  0 . 019 )  10
3
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
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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
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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
1998 Discovery of T-Violation
CERN-CPLEAR & KTeV Experiments
T Conservation
P(K  K : t)  P(K
0
0
P(K
0
 K
0
: t)  P(K
0
 K : t)
P(K
0
 K
0
: t)  P(K
0
 K : t)
0
 K : t)
0
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     B  d  E
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
0
0
 ( 6 . 6  1 . 3  1 . 0 )  10
3
T-Violation in K0-K0bar Mixing State (CP-Violationと同起源？)
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CKMによる説明
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Transverse Polarization
KEK-PS E246
K


  
0
崩壊面と垂直方向のmuonの偏極度の測定
PT 
   ( p   p )
p   p
Transverse Nuclear Polarization
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Transverse Nuclear Polarization
Position
Momentum
Spin
Electric Field
Magnetic Field
Magnetic Dipole Moment
Electric Dipole Moment
Transverse Polarization
T
r
-p
P
-r
-p
r
p
s
s
s
E
E
-E
B
-B
B
s・B
s・B
s・B
s・E
- s・E
- s・E
s・(p1xp2) - s・(p1xp2) s・(p1xp2)
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Beta Decay Experimental Observable
I
Beta Decay = Three Body Decay
Very Low Energy
Possible Observable
Momentum: Electron, Neutrino
n
Invisible
n momentum determination
pn = - ( pe + precoil )
Recoil Ion Measurement
Polarization: Initial Nuclei, Electron
b
Copyright WITCH collab.
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Phenomenological Formalism and Requirements
d
dE  d   d  

1
 2  5

1  a

2
p E (E0  E )  
 



a-coefficient
[bn corr.]
D-coefficient
[T-odd, P-even]
R-coefficient
[T-odd, P-odd]


p   p


  p
p
b
 J I  A
B

 E
E  E
E
E









 p   p
p
p
p

G
H
K

 E
E
E   m  E  E


m


p   p 

D
E  E 












p   p
p
p  
  p 

 NJ I  Q
L
J I 
  RJ I 

E
E
E

m
E
E

 

 
 


electron momentum, neutrino momentum (recoil energy)
(Recoil Ion Detection)
electron momentum, neutrino momentum, Ion polarization
(Recoil Ion Detection)
electron momentum,
Ion polarization, electron polarization
Unpol. Cold RI Decay Exp.
Polarized Cold RI Decay Exp.
a-coefficient, R-coefficient
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
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Current Limit and Model Predictions


n  pe  e

19
19

N e  Fe  e
0
 
K    

0 
K    


  ne  e
Current Limits (x103)



 0 .6  1 .7 J n   p e  p p 
0 .1  0 .6
1 .7  5 .6
3 .3  3 .7
110  100
emiT ‘02



J Ne   p e  p F  Princeton ‘84



BNL ‘80
p    p    



KEK ‘02
p    p    



FNAL ‘88
J    pe  pn 
Final State Int.
~ 2.6x10-4(19Ne)
αZm/p
Model Prediction on D
CKM
< 10-12
Included in SM
q-QCD
< 10-14
CP-Violation in QCD
SUSY (Higgs)
< 10-6
Multiple Higgs generate Complex CKM Phase
-4
Left-Right Symmetry < 10
Spontaneous Symmetry Breaking
-4
Leptoquark(P-even) < 10
Combination of lepton & quark
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Princeton Polarized
19Ne
Experiment (1984)
6/9/03 Colloquium
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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
D0
720GeV
6/9/03 Colloquium
New Gauge Boson,
Leptoquark, ,,,
Sensitive on the
Large Extra Dimension ?
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New Experimental Approach
All the existing experiments = Recoil energy spectrum measurements
CERN-ISOLDE-WITCH
Single Recoil Spectra
Direct cos
bn corr.
 
Measurement by particle tracking
b+-I corr.
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1
 cos  
3
1   cos   I
1
1   cos  
1
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Detector Setup for a and D Exp.
TOF , Hit Position, Vertex
Micro Sphere Plate
Delay Line Anode
~70 micron
Gas Jet Profile
Ion Momentum
Wedge&Strip Anode
~50 micron (slow)
Resolution , Detector Length
6/9/03 TOF
Colloquium
Delay Line Drift Chamber
Electron
Polarimeter
?
~100 micron
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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)
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RI Beam Buffering
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
SF6 Gas Target
19F(p,n)19Ne
ORNL reactor 9Be(n,alpha)6He
H2O Vapor
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Experimental Configuration
RIBF
Test Exp. @ 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)
RARF (R&D) - RIBF
6/9/03 Colloquium
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Atomic Beam Spin Polarizer at RIKEN
6/9/03 Colloquium
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Experimental Area at RIBF
6/9/03 Colloquium
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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
 W 1   cos   sin    W L 

  

 
cos    W R 
 W 2   sin 
Mass Eigenstates
M2>720GeV (D0)
WR = Righthanded Charged Current
q, l
q’, l’
q, l
q’, l’
quark (lepton)
Form Factor
Modifications in bn Coefficients
6/9/03 Colloquium
F (Q ) 
2
1
1 Q / 
2
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2
Nuclear Physics Approach
Determination of the
V-A Structure 1957 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=0.9968+-0.0014
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)
A-coefficient = Parity Violation
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High Energy Physics Approach
Direct
Indirect
TEVATRON 2TeV
Pol-exp.
HERA pol-DIS (~300GeV)
RHIC-Spin pol-pp 500GeV
CDF DY
LHC 14TeV 2006VLHC 60-200TeV ???
Parity Violation
at RHIC (Jet)
Lepton Collider:
NLC (Next Linear Collider)
0.5,1,1.5TeV
NNLC (Next-to-Next Linear Collider) 5TeV
LMC (Large Muon Collider)
4TeV
6/9/03 Colloquium
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