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>ホーム >ニュース >News@KEK >この記事 |  |
last update:04/09/17 |
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 １千億個に１つの宝石 2004.9.16 |
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〜 Ｋ中間子の稀崩壊に挑むE391a実験 〜 |
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宇宙の物質と反物質がなぜ対等に存在しないのか、この謎を解くためのKEKのＢファクトリー実験についてはこれまでにも何回かお伝えしてきました。Ｂファクトリー実験はその名前が示すように、Ｂ中間子と反Ｂ中間子の組を大量に作り出して、ＣＰ対称性の破れを精密に測定しようとする実験です。 ＣＰ対称性の破れを探る実験には、この他にＫ中間子を用いるものがあります。その中でも特に実験が難しいという、特殊な崩壊モードに挑む実験グループE391aについてご紹介しましょう。 世代を超えて KEKで行われているＣＰ対称性の破れを探る実験といえば、Ｂファクトリー実験が有名です。しかし1964年に初めてＣＰ対称性の破れが観測された時の実験は、Ｋ中間子が用いられていました。 歴史の長いＫ中間子の実験ですが、その中でも特に難しく、世界中のまだ誰も観測に成功したことのない、非常にまれな崩壊の様子を詳しく調べたい、こんな実験がKEKの陽子加速器を使って進められています。391番目に申請された実験の提案、ということから「E391a実験」と呼ばれています（図１）。 この実験では、長寿命の中性Ｋ中間子（KL0）を大量に作り出して、それが中性のπ中間子（π0）と二つのニュートリノ（ν）へ崩壊する様子をとらえようとしています。Ｋ中間子の中に含まれているストレンジ（ｓ）クォークが一時的に第三世代のトップ（ｔ）クォークとＷボソンの組に変化し、第一世代のダウン（ｄ）クォークになる、という転移が中心的な役割を果たすと考えられている崩壊様式です（図２）。 この世代を超えた転移の性質はまだ正確には分かっていないので、きちんと測定するのは重要なことです。最も重いクォークであるトップクォークからの転移を測るということは、その他の重い粒子、例えば超対称粒子などがもし存在すれば、その影響が現れやすいということでもあります。 精度をより高く 通常、クォークの転移をＫ中間子やπ中間子などのハドロン粒子（クォークの複合体）を通して見ようとする時には、クォーク間の強い相互作用を考慮して補正をする必要があります。一般的に、この補正の計算は極めて困難で、大きな誤差が残ります。 ところが、E391a実験が狙っている反応過程には、Ｋ中間子がπ中間子と電子とニュートリノに崩壊するという、反応のプロセスのよく似た過程があって、それとの比を取ることで、ハドロン粒子の補正の誤差を相殺した精度の良い実験を行うことができます。 この過程で現れるプロセスは、Ｂファクトリーと同様で、その意味ではＢファクトリーで現在進められている実験と相補的な役割をもつ実験であるということもできます。 稀な崩壊事象 この中性Ｋ中間子から中性π中間子と二つのニュートリノへの崩壊は、予測される分岐比が１千億分の１という小さい値で、非常に稀にしか起こらないと予測されている現象です。しかも、関係する粒子が全て中性で容易に検出できないため、難しい実験になります。そのために、長らく測定の重要性が指摘されてきたにもかかわらず、専用の実験が行われてきませんでした。 中性Ｋ中間子から中性π中間子と二つのニュートリノへの崩壊で出てくる中性π中間子と２つのニュートリノのうち、中性π中間子は即座に２つの光子に崩壊します。２つのニュートリノは測定器の中では捕まらないので、この崩壊の決定は、結局２つの光子を測定し、その他には何もないことを確認することによって行います。その際、予想される様々な「偽の事象」を落とすために、E391aでは次のような工夫を加えました。 １． ビームを出来るだけ細く絞って、中性π中間子がビーム軸に対して角度をもって出ていることを検知出来るようにする。 ２．中性Ｋ中間子の崩壊であらわれるニュートリノ以外の全ての粒子を検出できるカロリメーターという測定器で測定領域を完全に囲み、他には粒子が何も無いことを保証する。 ３．ビームが物質と当たることで余分な中性π中間子を作らない様に、測定領域を高真空化する。 これらの工夫の結果、図１のように、総重量が100トンを超える測定器を中心軸上にビーム通過用の小さな穴があいた円筒形に配置し、それらの大半を大型真空容器内に設置するというものになりました。 J-PARCでの実験に向けて E391a実験では、これまでKEKで行われた他の実験で使われた資材を大いにリサイクルしましたが、ビームライン作りに約２年、測定装置の製作に約３年の期間がかかりました。図５は昨年（2003年）暮れの円筒部（主バレル）設置の時の記念写真です。そして、今年（2004年）１月に準備が整い、２月から６月に初めてのデータ採取を行いました。まだデータ解析の途中ですが、第一の目標の百億分の１台の感度が得られそうです。 実は、この実験がとても難しいので、実験グループでは段階を踏んで進めようとしています。現在この中性Ｋ中間子から中性π中間子と二つのニュートリノへの崩壊の分岐比については、米国のフェルミ国立加速器研究所での実験の副産物として１千万分の１台という上限値が得られています。現存するKEKの陽子加速器を使ったE391a実験では百億分の１台、その経験を元に、現在日本原子力研究所の東海研究所に建設中のJ-PARCの50GeV陽子加速器を使って十兆分の１台を達成しようとしています。それぞれの段階で、おおよそ３桁ごとの感度増を果たそうというわけです。 E391a実験には５カ国の11機関から約60人のメンバーが参加しています。
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