CPLEAR実験

CPLEAR実験は、 1982年から1996年までCERNで稼働していたLEAR施設（低エネルギー反陽子リング）の反陽子 ビームを使用して、陽子-反陽子消滅によって中性K中間子を生成し、中性K中間子システムにおけるCP、T、CPTの破れを研究することを目的としていました。 ^[1]

ビッグバン理論によれば、宇宙の始まりには物質と反物質が同じ量存在していたはずである。もしこれが真実なら、粒子と反粒子は互いに消滅して光子を作り出し、したがって宇宙は光のみによって構成されていたことになる（10 ¹⁸個の光子に対して物質の粒子 1 個）。しかし、残ったのは物質のみであり、その粒子の数は予想の 10 億倍に上る。では、反物質が消えて物質が増えたのはなぜだろうか。この疑問に対する考えられる答えは、バリオン生成である。これは、初期宇宙で起こった仮説上の物理プロセスで、バリオン非対称性、すなわち観測された宇宙における物質（バリオン）と反物質（反バリオン）の不均衡を生み出した。しかし、バリオン生成は、 1967 年に アンドレイ サハロフが提唱した以下の条件下でのみ可能である。

• バリオン数の 違反。${\displaystyle B}$
• C対称性とCP対称性の破れ。
• 熱平衡から外れた相互作用。

CP 対称性の破れを初めて実験的に検証したのは、1964年のフィッチ・クロニン実験である。この実験では、幸運にも CP を検証するために必要な特性を持つ、中性K 中間子と呼ばれる粒子が使用された。まず、中間子として、これらはクォークと反クォークの組み合わせであり、この場合はダウンと反ストレンジ、または反ダウンとストレンジである。次に、2 つの異なる粒子は、異なる CP 値と異なる崩壊モードを持っている。K ₁は CP = +1 で、2 つのパイ中間子に崩壊する。K _{2 は}CP = −1 で、3 つのパイ中間子に崩壊する。質量の変化が大きい崩壊の方が起こりやすいため、K ₁崩壊は K ₂崩壊よりも 100 倍速く起こる。これは、中性 K 中間子の十分に長いビームは、十分な時間が経過すると、任意の純粋な K ₂になることを意味する。フィッチ・クロニン実験はこれを利用している。混合 K 中間子のビームからすべての K ₁が崩壊すると、 K ₂崩壊のみが観測されるはずです。 K ₁崩壊が見つかった場合、それは K _{2 が}K ₁に反転し、粒子の CP が -1 から +1 に反転し、 CP が保存されなかったことを意味します。 実験の結果、2 パイ中間子崩壊の正しい質量範囲で、cos(θ) = 1 付近で 45±9 のイベントが過剰に発生しました。 これは、K ₂が3 つのパイ中間子に崩壊するたびに、2 つのパイ中間子に (2.0±0.4)×10-3 の崩壊があることを意味します。 このため、中性 K 中間子は CP に違反します。^[2]したがって、中性 K 中間子と中性反 K 中間子の生成比の研究は、物質の生成を促進した初期宇宙で何が起こったかを理解するための効率的なツールです。^[3]

CPLEARは、9か国17の機関から約100人の科学者が参加する共同プロジェクトです。1985年に開始されたこの実験では、1990年から1996年までのデータが収集されました。 ^[1]その主な目的は、中性K中間子系におけるCP、T、CPT対称性を研究することでした。

さらに、CPLEARは波動関数の量子コヒーレンス、多重パイ中間子状態におけるボーズ・アインシュタイン相関、物質中の短寿命K中間子成分の再生、エンタングルされた中性K中間子対状態を用いたアインシュタイン・ローゼン・ポドルスキーのパラドックス、および一般相対性理論の等価原理に関する測定を行った。^[4]

CPLEAR 検出器は、中性 K 中間子の生成時と崩壊時の 軌跡の位置、運動量、電荷を判定し、イベント全体を視覚化することができました。

弱い相互作用では奇妙さは保存されない。つまり、弱い相互作用では
け⁰
に変身できる
け⁰
逆もまた同様である。
け⁰
そして
け⁰
様々な最終状態 f における崩壊率 (f = π ⁺ π ⁻ , π ⁰ π ⁰ , π ⁺ π ⁻ π ⁰ , π ⁰ π ⁰ π ⁺ , π l ν) について、CPLEAR 共同研究チームは、K 中間子のストレンジネスが付随する K 中間子の電荷によって決まるという事実を利用した。時間反転不変性は、一方の変換の詳細すべてが他方から推論可能であること、すなわち、 K 中間子が反 K 中間子に振動する確率が、逆の過程の確率と等しいことを意味する。これらの確率を測定するには、K 中間子の生涯の 2 つの異なる時点におけるストレンジネスを知ることが必要であった。K 中間子のストレンジネスは付随する K 中間子の電荷によって決まるため、各イベントについて既知であるため、この対称性が守られていないことが観察され、弱い相互作用下での中性 K 中間子系におけるT の破れが証明された。^[3]

中性K中間子は消滅チャネルで最初に生成される。

• 
  p
  p → π ⁺
  け⁻
  
  け⁰
  
• 
  p
  p → π ⁻
  け⁺
  
  け^{0
  [3]}

これは、LEAR施設から来る毎秒10 ^6個の反陽子ビームが高圧水素 ガスターゲットによって止められるときに起こります。反陽子の運動量が小さく圧力が高いため、検出器内の停止領域のサイズを小さく保つことができました。^[5]陽子-反陽子反応は静止状態で起こるため、粒子は等方的に生成され、その結果、検出器はほぼ4π対称性を持つ必要があります。検出器全体は、0.44 Tの均一な磁場を提供する長さ3.6 m、直径2 mの温かいソレノイド磁石に埋め込まれました。^[3]

反陽子は加圧水素ガスターゲットを使用して停止されました。崩壊体積内の物質の量を最小限に抑えるために、液体水素の代わりに水素ガスターゲットが使用されました。ターゲットは当初半径7cmで、16バールの圧力にさらされていました。1994年に変更され、半径は27バールの圧力下で1.1cmになりました。^[3]

検出器は実験の特定の要件を満たす必要があり、次のことが可能でなければなりませんでした。

• 効率的なK中間子の識別を行う
• 多数の多重パイ中間子消滅チャネルの中から、施設の説明に記載されている消滅チャネルを選択する
• 異なる中性K中間子崩壊経路を区別する
• 崩壊の固有時間を測定する
• 大量の統計情報を取得するためには、高いレート能力と広い幾何学的カバレッジの両方が必要であった^[3]

円筒形の追跡検出器とソレノイド場は、荷電粒子の電荷の符号、運動量、位置を決定するために使用されました。その後に、荷電カオンを識別する役割を持つ粒子識別検出器 (PID) が続きました。これは、カオンとパイ中間子の分離を行うチェレンコフ検出器と、荷電粒子のエネルギー損失と飛行時間を測定するシンチレータによって構成されていました。また、電子とパイ中間子の分離にも使用されました。π ^{0崩壊で生成された光子}の検出は、最外殻鉛/ガスサンプリングカロリメータである ECAL によって行われ、より高い運動量のパイ中間子と電子を分離することで PID を補完します。最後に、ハードワイヤードプロセッサ (HWK) を使用して、十分な精度で完全なイベント再構成を提供し、数マイクロ秒でイベントを分析および選択し、不要なイベントを削除しました。^[3]

• INSPIRE-HEPにおける CPLEAR 実験記録
• CPLEARウェブサイト