CPLEAR эксперимент

В эксперименте CPLEAR использовался антипротонов пучок установки LEAR – Low- Energy Antiproton Ring, которая работала в ЦЕРНе по 1996 год – для получения нейтральных каонов и путем протон - антипротонной аннигиляции с целью изучения нарушений CP , T с 1982 CPT в нейтральном каоне. система. ^{[ 1 ]}

Фон

Согласно теории Большого взрыва , материя и антиматерия существовали в одинаковом количестве в начале Вселенной . Если бы это было правдой, частицы и, таким и античастицы образом , аннигилировали бы друг друга, создавая , фотоны Вселенная состояла бы только из света (одна частица материи за 10 ¹⁸ фотоны). Однако осталась только материя и частиц в миллиард раз больше, чем ожидалось. Что же произошло тогда, когда антиматерия исчезла в пользу материи? Возможным ответом на этот вопрос является бариогенез , гипотетический физический процесс, который имел место в ранней Вселенной и вызвал барионную асимметрию, то есть дисбаланс материи (барионов) и антиматерии (антибарионов) в наблюдаемой Вселенной. Однако бариогенез возможен только при следующих условиях, предложенных Андреем Сахаровым в 1967 году:

Барионное число $B$ нарушение.
Нарушение C-симметрии и CP-симметрии .
Взаимодействия вне теплового равновесия .

Первая экспериментальная проверка нарушения CP была проведена в 1964 году в ходе эксперимента Фитча-Кронина . В эксперименте участвовали частицы, называемые нейтральными К-мезонами , которые по счастливой случайности обладают свойствами, необходимыми для проверки CP. Во-первых, как мезоны, они представляют собой комбинацию кварка и антикварка, в данном случае нижнего и антистранного или антинижнего и странного . Во-вторых, две разные частицы имеют разные значения CP и разные режимы распада : K ₁ имеет CP = +1 и распадается на два пиона ; K ₂ имеет CP = −1 и распадается на три. Поскольку распады с большими изменениями массы происходят легче, распад K1 _{происходит} в 100 раз быстрее, чем _{распад K2} . Это означает, что достаточно длинный пучок нейтральных каонов _{станет сколь угодно чистым К 2} через достаточное количество времени . Эксперимент Фитча-Кронина использует это. Если позволить всем K ₁ распасться из пучка смешанных каонов, _{K 2} следует наблюдать только распады какие-либо распады K ₁ . Если обнаружены _{, это означает, что K 2} перевернулся в K ₁ , а CP для частиц переключился с -1 на +1, и CP не сохранился. Результатом эксперимента стало превышение 45±9 событий в районе cos(θ) = 1 в правильном диапазоне масс для распадов 2-пионов. Это означает, что при каждом распаде K ₂ на три пиона, происходит (2,0±0,4)×10-3 распадов на два пиона. Из-за этого нейтральные К-мезоны нарушают CP. ^{[ 2 ]} Таким образом, изучение соотношения образования нейтральных каонов и нейтральных антикаонов является эффективным инструментом для понимания того, что произошло в ранней Вселенной и способствовало образованию материи. ^{[ 3 ]}

Эксперимент

CPLEAR — это результат сотрудничества около 100 ученых из 17 учреждений из 9 разных стран. Принятый в 1985 году эксперимент включал данные с 1990 по 1996 год. ^{[ 1 ]} Его основной целью было изучение симметрии CP , T и CPT в системе нейтральных каонов.

Кроме того, CPLEAR выполнил измерения квантовой когерентности s волновой функции , корреляций Бозе-Эйнштейна в многопионных состояниях , регенерации короткоживущей каонной компоненты в веществе, парадокса Эйнштейна-Розена-Подольского с использованием запутанных парных состояний нейтральных каонов. и принцип эквивалентности общей теории относительности . ^{[ 4 ]}

Описание объекта

Детектор CPLEAR смог определить местоположение, импульсы и заряды треков при рождении нейтрального каона и при его распаде, тем самым визуализируя все событие.

Странность не сохраняется при слабых взаимодействиях, а это означает, что при слабых взаимодействиях
К ⁰
может трансформироваться в
К ⁰
и наоборот. Изучить асимметрию между
К ⁰
и
К ⁰
скорости распада в различных конечных состояниях f (f = π ⁺п ⁻, п ⁰п ⁰, п ⁺п ⁻п ⁰, п ⁰п ⁰п ⁺, π l ν), коллаборация CPLEAR использовала тот факт, что странность каонов определяется зарядом сопутствующего каона. Инвариантность относительно обращения времени подразумевала бы, что все детали одного из преобразований могут быть выведены из другого, т.е. вероятность превращения каона в антикаон будет равна вероятности обратного процесса. Измерение этих вероятностей потребовало знания странности каона в два разных периода его жизни. Поскольку странность каона определяется зарядом сопровождающего каона и, таким образом, известна для каждого события , было замечено, что эта симметрия не соблюдается, тем самым доказывая нарушение T в системах нейтральных каонов при слабом взаимодействии. ^{[ 3 ]}

Нейтральные каоны первоначально рождаются в каналах аннигиляции.

п
п → п ⁺
К ⁻

К ⁰
п
п → п ⁻
К ⁺

К ⁰
^{[ 3 ]}

что произойдет, когда 10 ⁶ Пучок антипротонов в секунду, исходящий из установки LEAR, останавливается мишенью водорода из газообразного под высоким давлением . Низкий импульс антипротонов и высокое давление позволили сохранить небольшой размер области торможения в детекторе . ^{[ 5 ]} Поскольку реакция протон-антипротон происходит в состоянии покоя, частицы образуются изотропно , и, как следствие, детектор должен иметь симметрию, близкую к 4π. Весь детектор был встроен в теплый соленоидальный магнит длиной 3,6 м и диаметром 2 м , создающий однородное магнитное поле напряженностью 0,44 Тл . ^{[ 3 ]}

Антипротоны останавливались с помощью мишени из газообразного водорода под давлением. Вместо жидкого водорода использовалась мишень из газообразного водорода, чтобы минимизировать количество вещества в объеме распада. Первоначально мишень имела радиус 7 см и подвергалась давлению 16 бар. Изменился в 1994 году, его радиус стал равен 1,1 см, при давлении 27 бар. ^{[ 3 ]}

Компоновка детектора

Детектор должен был соответствовать конкретным требованиям эксперимента и, таким образом, должен был быть в состоянии:

провести эффективную идентификацию каона
выбрать каналы аннигиляции, упомянутые в описании установки, среди очень большого количества каналов аннигиляции мультипионов
различать различные каналы распада нейтральных каонов
измерить собственное время затухания
получать большое количество статистики, а для этого она должна была иметь как высокую скорость, так и большой геометрический охват. ^{[ 3 ]}

Цилиндрические трековые детекторы вместе с полем соленоида использовались для определения знаков заряда, импульсов и положений заряженных частиц. За ними следовал детектор идентификации частиц (PID), роль которого заключалась в идентификации заряженного каона. Оно было дополнено черенковским детектором , осуществлявшим разделение каонов и пионов; и сцинтиллятор s , измеряющий потери энергии и время полета заряженных частиц. Его также использовали для разделения электронов и пионов. Обнаружение фотонов, рожденных в π ⁰ Распады выполнялись с помощью ECAL, самого внешнего калориметра для отбора проб свинца и газа, дополняющего ФИД путем разделения пионов и электронов с более высокими импульсами. Наконец, использовались аппаратные процессоры (HWK) для анализа и отбора событий за несколько микросекунд, удаления ненужных, обеспечивая полную реконструкцию событий с достаточной точностью. ^{[ 3 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б «Добро пожаловать в эксперимент CPLEAR» . Эксперимент CPLEAR . Томас Руф . Проверено 9 июля 2018 г. Общее введение в эксперимент
^ Коулман, Стюарт. «Эксперимент Фитча-Кронина» . Проверено 27 июня 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Габатулер, Э.; Павлопулос, П. (2004). «Эксперимент CPLEAR». Отчеты по физике . 403–404: 303–321. Бибкод : 2004PhR...403..303G . doi : 10.1016/j.physrep.2004.08.020 .
^ Ангелопулос, А. (2003). Физика в CPLEAR. Доклады по физике (Отчет). Том. 374. ISSN 0370-1573 .
^ Ангелопулос, А.; Апостолакис, А.; Асланидес, Э. (2003). «Физика в ЦПЛЭАР». Отчеты по физике . 374 (3): 165–270. Бибкод : 2003PhR...374..165A . дои : 10.1016/S0370-1573(02)00367-8 . ISSN 0370-1573 .

Внешние ссылки

CPLEAR Запись эксперимента на INSPIRE-HEP
CPLEAR Веб-сайт

[ruf_CPLEAR_website_CERN-1] Jump up to: ^а ^б «Добро пожаловать в эксперимент CPLEAR» . Эксперимент CPLEAR . Томас Руф . Проверено 9 июля 2018 г. Общее введение в эксперимент

[fitch-cronin-2] Коулман, Стюарт. «Эксперимент Фитча-Кронина» . Проверено 27 июня 2019 г.

[GabathulerPavlopoulos2004-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Габатулер, Э.; Павлопулос, П. (2004). «Эксперимент CPLEAR». Отчеты по физике . 403–404: 303–321. Бибкод : 2004PhR...403..303G . doi : 10.1016/j.physrep.2004.08.020 .

[PhysicsAtCPLEAR2003-4] Ангелопулос, А. (2003). Физика в CPLEAR. Доклады по физике (Отчет). Том. 374. ISSN 0370-1573 .

[AngelopoulosApostolakis2003-5] Ангелопулос, А.; Апостолакис, А.; Асланидес, Э. (2003). «Физика в ЦПЛЭАР». Отчеты по физике . 374 (3): 165–270. Бибкод : 2003PhR...374..165A . дои : 10.1016/S0370-1573(02)00367-8 . ISSN 0370-1573 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]