小林益川に○を与えた実験 Bファクトリー実験

名古屋大学大学院　理学研究科高エネルギー素粒子物理学研究室（ N研）名古屋大学タウ・プトン物理研究センター

飯嶋　徹

祝ノーベル賞受賞「小林・益川の理論とは」

2008年 10月 10日

名古屋大学グローバル COE「宇宙基礎原理の探求」

小林さん。。。2005年 8月　 KEK見学会（名大理学部学生＋留学生）

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昨日（ KEK)

2006年 12月　 CKM国際会議

（野依学術交流館）

サインください。

益川さん。。。

• 大してうれしくない。だって…我々の言ったことが正しいというのは、 2002-03年の実験で確立した。科学者としてはこれが一番重要なことなんです。

3• この実験の内容をお話します。

ビデオ（ NHKニュース、益川さん記者会見）

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CP対称性の破れの歴史• 1964年　 K中間子の崩壊で発見• 1973年　小林－益川理論

– クォークが６種類あれば CP対称性は必然的に破れる。– 当時知られていたクォークは３種類後に全て発見された。

• 1981年　三田らが B中間子崩壊で大きな CPの破れを予言。

Bにおける大きな CPの破れは、小林‐益川理論を含む標準理論の最終課題のひとつ（だった）。

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現在の素粒子標準理論

クォーク

レプトン

物質構成粒子（フェルミオン）

3世代構造

力を媒介する粒子（ボゾン）

電磁相互作用

強い相互作用

弱い相互作用

反粒子の存在, , , ...e eq q e e v v

全ての素粒子には、質量や寿命などが同じだが、符号の異なる相棒（反粒子）が存在する。

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B中間子

b d

B中間子

b d

反 B中間子

Bファクトリーで崩壊の違いを精密に測る。

質量は陽子の約 5倍程度寿命は 0. 000 000 000 00153 秒（ 1.53ピコ秒）

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クォークの“壊れ方”

W－

b(s,d)uV*ub(s,d)

u c t

d s b

2

3Q

1

3Q

CPの破れのもと

重いクォークから軽いクォークへの変化で波の位相が変化する。

bcbu

8

B中間子の崩壊は“二刀流”• 木の形 b

cs

W /J

d d SK

0B

c

0 / SB J K

0Bb

d

0B

t

t

W W

b c

s

W

/J

d dSK

c

0 0 / SB B J K

• 箱＋木の形

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Bファクトリー（ B工場）での測定電子 - 陽電子衝突で大量の BB中間子対を生成する。

e e電子（ 8GeV） 陽電子（ 3.5GeV）

B

B

0K

/J

e

e e電子（ 8GeV） 陽電子（ 3.5GeV）

B

B

/J

0K

e

この違いを検出

実験のがんばりどころ• B中間子寿命はわずか 1.5ピコ秒しかない！

– １ピコ秒＝ 0.000000000001秒– 飛行距離は 20ミクロン程度。

• 非対称エネルギー衝突（ 8GeV電子＋ 3.5GeV陽電子）• B中間子が前方に勢いよく飛び出す。　　　

寿命が延びる• 飛行距離は 200ミクロン程度。

最先端の技術を使えば測定可能

非対称的衝突

加速器の挑戦

• 見たい崩壊（ B0J/Ks)はめったにおこらない（ 10 万回に 1 回）。

• 年間に１億個の B－反 B中間子対を生成

• 高輝度（ルミノシティー）の電子－陽電子衝突を実現

KEKB 加速器は世界最高強度のマシン

“B中間子工場（ Bファクトリー）”

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KEKB 加速器

e-（ 8GeV)e+（ 3.5GeV)

13

KEKB 加速器

e-（ 8GeV)e+（ 3.5GeV)

ルミノシティー 1.7 x 1034 cm-2s-1 !

年間約 2 億対の BBを生成。

日米の熾烈な競争• 米国 SLAC研究所の PEP II/BaBar実験とのルミノシティーの比較

KEKB

PEP II

“ 太る”ビームとの闘い

大電流との闘い

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Belle測定器

Belle Belle 国際研究チーム国際研究チーム

ブドカー研究所チェンナイ数理科学研究所千葉大学チョンナム国立大学シンシナチ大学イーファ女子大学ギーセン大学ギョンサン国立大学ハワイ大学広島工業大学北京・高能研モスクワ･ IHEPモスクワ・ ITEPカールスルーエ大学神奈川大学KEKコリア大学クラコウ原子核研京都大学

キュンポック国立大学ローザンヌ大学マックスプランク研究所ヨセフステファン研究所メルボルン大学

名古屋大学奈良女子大学国立中央大学国立連合大学国立台湾大学日本歯科大学新潟大学ノバ ゴリカ 科学技術学校･大阪大学大阪市立大学パンジャブ大学ペキン大学ピッツバーグ大学プリンストン大学理化学研究所

佐賀大学中国科学技術大学ソウル大学信州大学サンキュンカン大学シドニー大学タタ研究所東邦大学東北大学東北学院大学東京大学東京工業大学東京都立大学東京農工大学トリノ・ INFN富山商船高等専門学校ウェイン州立大学ウィーン高エネルギー研バージニア工科大学延世大学

世界１４カ国の５９の研究機関・大学から約 360名が参加

B中間子崩壊の観測

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中央飛跡検出器

エアロジェル検出器• 同じ運動量でも質量の違いによって粒子の速度が違う。

– K中間子の質量は中間子の約 3倍• 適当な屈折率の透明物質を使えば、チェレンコフ光発生の有無で粒子の種類がわかる。

• Belleでは、シリカエアロジェルという特殊な物質を使う。

B中間子崩壊点再構成シリコンバーテックス検出器

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B崩壊における CPの破れの発見

sin21= 0.642 ±0.031 (stat) ±0.017 (syst)

2001年 (31M BB)

B0 tag_B

0 tag

2006年 (532M BB)0 / SB J K

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わかったこと＋深まる謎• 小林・益川理論の正しさ（クォークの世

界の粒子・反粒子非対称の理由）

• 小林・益川だけでは、宇宙の物質優勢を説明できない。非対称が足りない。

• 小林・益川メカニズム以外の CP 非対称の源が必要（新しい物理が必要）。

• 今後の研究は新しい物理の証拠探しへ！

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新しい物理の探索• 不確定性関係

b

d

0B

d

b

0B

t

t

W W

E t B中間子崩壊の中間状態に重い粒子が登場する。

トップクォークやW粒子以外の効果が見えないか？

稀な崩壊における CPの破れ• 「ペンギン崩壊」と呼ばれる量子ループを伴う崩壊は“新しい物理”に感度が高い。

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標準理論のペンギン過程

未知の物理過程未知の物理過程とのとの干渉干渉 CPCP対称性の破れのず対称性の破れのずれれ

新物理のペンギン過程

X( 新粒子）

スーパー Bファクトリでは

J/Ks

Ks

もし真の値が、現在（昨年８月）の BelleとBaBarの平均値のままで、５ ab-1のデータがあると、 Ks モードだけで 6.2の有意な差が観測できる

標準理論

新しい物理

タウ・レプトンの崩壊と新物理の探索

• クォークでは混合と CPの破れがある。• ニュートリノにも混合（振動）。　 CPの破れは？

• 荷電レプトンでは　？？？

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( )e

0

( )e223(13)l

(m )e

e

? ?

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スーパー Bファクトリー

5年で 10倍！

現在の約 50倍のビーム強度 約 1036 cm-2s-1

小林さんのメッセージ（昨日）

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まとめ• Bファクトリー実験で小林益川理論を検証！

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• 次のチャレンジ＝夢は「小林益川を超える」、「小林益川が説明できない現象」の発見！

スーパー Bファクトリー　や　 LHC実験

次なるノーベル賞へ！ 若者よ 来たれ！