o-ps を用いた cp 対称性の破れ探索

o-Psを用いた CP対称性の破れ探索

東京大学　素粒子センター　小林研究室修士２年　西原一幸

原子核若手三者夏の学校＠パノラマランド木島平

内容１．イントロダクション

２．実験概要

３．実験に向けての準備状況

４．現段階での見積もりと今後の予定

2007年　若手夏の学校 o-Psを用いたCP対称性の破れ探索

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1.イントロダクション


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レプトンセクターで CPの破れを測定することは大事！

・クォークセクターでの CPの破れ

　★ Kの物理　 KL→π+ π- 稀崩壊の発見 (1964) Γ(KL→π+π-)/Γ(KL→all)=(2.0+/-0.4)×10-3

　★ Bの物理 B0 と B0bar との崩壊率非対称 (2001) sin2Φ1 = 0.99+/-0.14(stat)+/-0.06(syst)

・レプトンセクターでは？ →未発見

　　大統一を考えると、レプトンセクターでの CP の破れは必須　　その程度は？

・レプトンセクターで CPの破れを測る対象　　　★ニュートリノ振動　　　　（ニュートリノ、反ニュートリノの遷移確率の違いを測定する）　　　★荷電レプトンのＥＤＭ　　　　（Ｔ対称性の破れ→ CPT対称性を信じるなら CPの破れ）　　　★ポジトロニウム　→本実験


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ポジトロニウム系での CPの破れその１　

ポジトロニウム →電子 (e-) と陽電子 (e+) の束縛系

スピン状態により

p-Ps (τ=0.125ns) と o-Ps(τ=142ns) に分けられる

主に p-Ps は 2γ へ、 o-Ps は 3γ へ崩壊

+

-

o-Ps (S=1)

p-Ps (S=0)

m=0 m=1m=-1

磁場中でのポジトロニウム

　 o-Psの m=0の成分が p-Psと mixingを起こす

　→寿命が短くなる

本実験では o-Psの m=+/-1の成分のみを選択的に使用したい

→磁場をかけて、かつ崩壊時間を測ることで m=0成分を除去する


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ポジトロニウム系での CPの破れその２　o-Psの 3γ崩壊を用いたＣＰ測定

N+ と N- のイベント数の差→ＣＰの破れ

N

o-Ps

2k

1k

3k

S

o-Ps

1k

2k

3k

S

N

検出器

検出器検出器

検出器

))(( 211 kkSkSCCP

fCNN

NNA CP

(f～ 0.1　角度依存など )

現在までに行われている実験

M.Skalsey and J. Van House Phys.Rev.Lett 67(1991)1993

CCP=-0.0056+/-0.0154

精度不十分

Ｏ (10-3 ）まで上げると見えるかもしれない !!


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2．実験概要


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※CCP を 10-3 の感度で測定しようとすると、線源・検出器の配置に～ μmの精度が必要

　→検出器を乗せた台を回転させることによって、この系統誤差をなくす

実験装置のセットアップ

Ps生成部

γ線検出器 (LYSO結晶 )

リターンヨーク

ネオジム磁石

回転駆動モーター

現在、設計および製作中・・・。 ○線源まわり

　 22Naβ+線源 (1MBq,Eend=546keV)

　エアロゲルターゲット

○γ線検出器

LYSO結晶 (Φ30×30)

H8409-70（高磁界用ＰＭＴ）

　 0,60,150,210°の位置に中心から7cm

　離して設置

○磁石およびリターンヨーク

ネオジム磁石 (Φ80×50)

　鉛直方向から 30°傾けて設置

　 Ps生成部で 3.5kGauss


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3．実験へ向けての準備状況


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線源まわりについて・２２ Na(e ＋線源 1MBq Eend = 546keV) を 100μm のプラシンで挟む

・ e ＋通過時のプラシンの光をライトガイドで回転ステージ上のＰＭＴまで導いて、

2 つのコインシデンスで Ps生成をタグ

・プラシンを通過した e+ はエアロゲル中で静止し Psを生成

・ Psの寿命は e+ のプラシン通過時刻と γ線検出時刻との差から算出

光量チェック中（Ｍ１東くん）


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γ線検出器（ LYSO結晶）その１＊＊＊ γ 線検出器に対する要件＊＊＊

★高いエネルギー分解能　 ( 検出した γ 線にエネルギーで順序をつけるため）

★短い減衰時間　 ( 統計量を稼ぐようにハイレート下で使用）

★磁場中で使用可

・ LYSO 結晶（ Lu1.8Y0.2(SiO4)O, 大きさ Φ30×30)

・ H8409-70 ( 高磁界用ＰＭＴ ,1 テスラまで耐久 ,実際の数百ガウスのもとでオペレート )

511keVγ線によるシグナル50ns

137Cs(662keV γ線 )のエネルギースペクトル

減衰時間　約40ns

FWHM 10.5%@662keV

本実験で使用するもの


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γ線検出器（ LYSO結晶）その２

厄介な 176Luのバックグラウンド

LYSO結晶構成元素 176Lu(天然存在比 2.59%)のせいで自分自身で光る β ー (Eend=580keV)

γ(307keV)

γ(202keV)

γ(88keV)

93.6%

78.0%

14.5%

3.6×1010y

176Luによるエネルギースペクトル

88keV

88keV+202keV+307keV

88keV+202keV

88keV+307keV

それぞれの γ 線光電ピークに β のスペクトルがのった形

176Luによるバックグラウンドの rate

⇒ 約 5.8 kHz

176Lu の崩壊


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γ線検出器（ LYSO結晶）その３

176Lu の Backgroundは落とせるLYSO結晶 2つ、 self トリガーの場合とコインシデンス信号によるトリガーの場合とでトリガー rateの比較を行った。 (線源なし )

5.8kHz(self トリガー ) → 16Hz (コインシデンスでトリガー )さらに、 16Hzのうち fake signal(一方 300～ 400keV,他方 400～ 500keV)を作るものは 1.7%

時間分解能は200ps

20kBqの 22Na線源を用いて back to backに放出された 511keVγ線で評価

←片方の LYSOでの測定エネルギーを、 511+/-25keVに固定したときの時間分解能（エネルギーの関数として）

300 ～ 500keV で 200ps を実現


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磁石まわり設計その１

磁場をかける目的

★m=0 成分の分離

★スピン量子化軸の決定

Ps生成部に 3.5kGaussの磁場をかける

　＊＊＊磁場系に課せられる要件＊＊＊・ Ps 生成部で一様な 3.5kGauss 程度の磁場

・ Ps からみて LYSO 結晶を遮らない

・ライトガイドや回転台などとぶつからない

現在、 ANSYS （有限要素磁場解析ソフト）を

用いて設計を進めている

・ Sim の形状　・曲がり角での磁束のロス

・リターンヨークの太さ

ネオジム磁石　 Φ80×50

(表面磁束密度　～ 4.5kG)


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磁気回路プロトタイプの製作（現在進行中）

磁石まわり設計その２

主な目的

　⇒ ANSYSによる計算の妥当性チェック

黒： ANSYS計算結果

赤： BELL610による実測値

青： GM04による実測値

z=0 平面における Bz 分布

Bz [

kGauss

]

磁石のみ系で磁場測定

中心からの距離 [cm]

~0.1kGauss で実測値と一致

・Φ90×20 のネオジム磁石　２ヶ

( 表面磁束密度　～ 3.7kGauss)

・全長 130cm のリターンヨーク（鉄）


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4.現段階での見積もりと今後の予定


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目指す精度と現段階での見積もり (統計 )

C ＣＰパラメータを 10-3 の精度で測定したい！1.4×10 ８ヶのシグナルイベントが必要（１年間の測定なら 5Hz ）

・使用する２２ Na 線源： 1 MBq

・ o-Ps 生成率： 6.6%

( 内訳 ) プラシンタグ効率 80% エアロゲル中で静止 30% Ps 生成率 55% m=+/-1 成分 50%

・崩壊時間 =100 ～ 270ns ： 30%

・ γ線のエネルギー： 0.03% (1st=400 ～ 500keV, 2nd=300 ～ 400keV, 1st>2nd+50keV)

-> 実際は LYSO の組み合わせ：３組

　　　 -> 回転台による効果も考慮

m=+/-1 成分の選択

6Hz

※系統誤差、バックグラウンドなどの議論は今回省略


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今後の予定

２００７年

　　８月　磁気回路プロトタイプ測定

本番用磁石まわりの設計完了＆発注

　　９月　ライトガイド光量チェック、線源まわり設計完了

　　　　　日本物理学会秋季大会

　１０月　回転駆動および制御系・台座、設計完了＆発注

　１１月　装置組み立てなどもろもろ

　１２月　テストＲＵＮスタート

２００８年

　　１月　ＲＵＮ本番開始

　　３月　日本物理学会春季大会


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o-ps を用いた cp 対称性の破れ探索

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