o-Psを用いたCP対称性の破れ探索
原子核若手三者夏の学校@パノラマランド木島平
東京大学
素粒子センター 小林研究室
修士2年 西原一幸
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
1.イントロダクション
2007年 若手夏の学校
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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
+
o-Ps (S=1)
-
p-Ps (S=0)
主にp-Psは2γへ、o-Psは3γへ崩壊
m=-1
m=0
m=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
    
CCP (S  k1 )(S  k1  k2 )
o-Psの3γ崩壊を用いたCP測定
N
N
検出器

S

k2
o-Ps

k3
検出器

k1
検出器

S
o-Ps

k2
検出器

k3
N+とN-のイベント数の差→CPの破れ
A

k1
N  N
 CCP  f
N  N
(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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実験装置のセットアップ
○線源まわり
現在、設計および製作中・・・。
リターンヨーク
γ線検出器(LYSO結晶)
ネオジム磁石
22Naβ+線源(1MBq,E
end=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)
Ps生成部
0,60,150,210°の位置に中心から7cm
離して設置
回転駆動モーター
○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
※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
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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
・22Na(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
本実験で使用するもの
・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
137Cs(662keV
γ線)のエネルギースペクトル
50ns
減衰時間 約40ns
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FWHM [email protected]
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γ線検出器(LYSO結晶)その2
176Luの崩壊
3.6×1010y
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)
93.6%
176Luによるエネルギースペクトル
88keV+202keV+307keV
88keV+202keV
γ(307keV)
78.0%
γ(202keV)
14.5%
γ(88keV)
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
88keV+307keV
88keV
176Luによるバックグラウンドのrate
⇒ 約 5.8 kHz
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γ線検出器(LYSO結晶)その3
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
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%
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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
ネオジム磁石 Φ80×50
現在、ANSYS(有限要素磁場解析ソフト)を
(表面磁束密度
~4.5kG)
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
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磁石まわり設計 その2
磁気回路プロトタイプの製作(現在進行中)
・Φ90×20のネオジム磁石
(表面磁束密度
2ヶ
~3.7kGauss)
・全長130cmのリターンヨーク(鉄)
主な目的
⇒ANSYSによる計算の妥当性チェック
磁石のみ系で磁場測定
z=0平面におけるBz分布
黒:ANSYS計算結果
赤:BELL610による実測値
Bz [kGauss]
青:GM04による実測値
~0.1kGaussで実測値と一致
中心からの距離[cm]
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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)
CCPパラメータを10-3の精度で測定したい!
1.4×108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22Na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%
m=+/-1成分の選択
・γ線のエネルギー:0.03% (1st=400~500keV, 2nd=300~400keV, 1st>2nd+50keV)
6Hz
->実際はLYSOの組み合わせ:3組
->回転台による効果も考慮
※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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