Eksperyment CPLEAR

Obszar eksperymentalny pierścienia antyprotonowego o niskiej energii.

Eksperyment CPLEAR wykorzystał wiązkę antyprotonów z obiektu LEAR – Low- Energy Antiproton Ring, który działał w CERN od 1982 do 1996 – do wytworzenia neutralnych kaonów poprzez anihilację proton - antyproton w celu zbadania łamania CP , T i CPT w neutralnym kaonie system.

Tło

Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu materia i antymateria istniałyby w tej samej ilości na początku Wszechświata . Gdyby to była prawda, cząstki s i antycząstki s anihilowałyby się nawzajem, tworząc fotony s , a zatem Wszechświat składałby się tylko ze światła (jedna cząstka materii na 10 ¹⁸ fotonów). Jednak pozostała tylko materia iw tempie miliard razy więcej cząstek niż oczekiwano. Co się wtedy stało, że antymateria zniknęła na rzecz materii? Możliwą odpowiedzią na to pytanie jest bariogeneza , hipotetyczny proces fizyczny, który miał miejsce we wczesnym wszechświecie i spowodował asymetrię barionową, tj. brak równowagi materii ( barionów) i antymaterii (antybarionów) w obserwowanym wszechświecie. Jednak bariogeneza jest możliwa tylko w następujących warunkach zaproponowanych przez Andrieja Sacharowa w 1967 r.:

• liczby barionowej ${\ displaystyle B}$ .
• Łamanie symetrii C i symetrii CP .
• Oddziaływania poza równowagą termiczną .

Pierwszy eksperymentalny test naruszenia CP miał miejsce w 1964 roku wraz z eksperymentem Fitch-Cronin . Eksperyment obejmował cząstki zwane neutralnymi K-mezonami , które na szczęście mają właściwości potrzebne do testowania CP. Po pierwsze, jako mezony, są kombinacją kwarka i antykwarka, w tym przypadku dolnego i antydziwnego lub anty-dolnego i obcego . Po drugie, dwie różne cząstki mają różne wartości CP i różne rozpadu : K ₁ ma CP = +1 i rozpada się na dwa piony ; K ₂ ma CP = -1 i rozpada się na trzy. Ponieważ rozpady z większymi zmianami masy zachodzą łatwiej, rozpad K ₁ zachodzi 100 razy szybciej niż rozpad K ₂ . Oznacza to, że wystarczająco długa wiązka neutralnych kaonów stanie się dowolnie czystym K ₂ po odpowiednim czasie. Eksperyment Fitch-Cronin wykorzystuje to. pozwolono na rozpad wszystkich K _{1 s z wiązki mieszanych kaonów,} zaobserwować należy tylko rozpady K _{2 .} Jeśli zostaną znalezione jakiekolwiek rozpady K ₁ , oznacza to, że K ₂ zmieniło się w K ₁ , a CP dla cząstek zmieniło się z -1 na +1, a CP nie zostało zachowane. Eksperyment zaowocował nadmiarem 45 ± 9 zdarzeń wokół cos (θ) = 1 w prawidłowym zakresie mas dla rozpadów 2-pionowych. Oznacza to, że na każdy rozpad K ₂ na trzy piony przypada (2,0±0,4)×10-3 rozpadów na dwa piony. Z tego powodu neutralne mezony K naruszają CP. Badanie stosunku produkcji neutralnych kaonów i neutralnych antykaonów jest zatem skutecznym narzędziem do zrozumienia, co wydarzyło się we wczesnym Wszechświecie, co sprzyjało produkcji materii.

Eksperyment

CPLEAR to współpraca około 100 naukowców pochodzących z 17 instytucji z 9 różnych krajów. Zaakceptowany w 1985 roku eksperyment obejmował dane z lat 1990-1996. Jego głównym celem było zbadanie CP , T i ' CPT w neutralnym układzie kaonów.

Ponadto CPLEAR wykonał pomiary dotyczące kwantowej spójności funkcji falowych s , korelacji Bosego-Einsteina w stanach wielopionowych , regeneracji krótkożyciowego składnika kaonowego w materii, paradoksu Einsteina-Rosena-Podolskiego z wykorzystaniem stanów splątanych par neutralny-kaon oraz zasada równoważności ogólnej teorii względności .

Opis obiektu

Schemat detektora CPLEAR.

Detektor CPLEAR był w stanie określić lokalizacje, pędy i ładunki ścieżek podczas produkcji neutralnego kaonu i podczas jego rozpadu, wizualizując w ten sposób całe zdarzenie.

⁰⁰⁰⁰⁰ Dziwność nie jest zachowana w słabych interakcjach, co oznacza, że ​​w słabych interakcjach K
może ⁰
przekształcić się w
K ⁰
i odwrotnie. Aby zbadać asymetrie między szybkościami rozpadu
K ⁰
i
K ⁰
w różnych stanach końcowych f ( f = π ⁺ π ^- , π π , π ⁺ π ^- π , π π π ⁺ , π l ν ), współpraca CPLEAR wykorzystała fakt, że dziwność kaonów jest oznaczona ładunkiem towarzyszącego kaonu. Niezmienniczość odwrotna w czasie oznaczałaby, że wszystkie szczegóły jednej z transformacji można wywnioskować z drugiej, tj. prawdopodobieństwo, że kaon oscyluje w antykaon, byłoby równe prawdopodobieństwu dla procesu odwrotnego. Pomiar tych prawdopodobieństw wymagał znajomości dziwności kaonu w dwóch różnych okresach jego życia. Ponieważ dziwność kaonu jest określona przez ładunek towarzyszącego kaonu, a zatem jest znana dla każdego zdarzenia , zaobserwowano, że ta symetria nie była przestrzegana, co dowodzi naruszenia T w neutralnych układach kaonów w słabym oddziaływaniu.

Neutralne kaony są początkowo wytwarzane w kanałach anihilacyjnych

• 
  p
  p → π ⁺
  K. ^-
  
  K ⁰
  
• 
  p
  p → π ^-
  K ⁺
  
  K ⁰
  

co się dzieje, gdy wiązka anty-protonów na ^sekundę , pochodząca z obiektu LEAR, zostaje zatrzymana przez tarczę wodorową pod wysokim ciśnieniem . Niski pęd antyprotonów i wysokie ciśnienie pozwoliły utrzymać mały obszar zatrzymania w detektorze . Ponieważ reakcja proton-antyproton zachodzi w spoczynku, cząstki powstają izotropowo , w związku z czym detektor musi mieć symetrię bliską 4π. Cały detektor został osadzony w ciepłym elektromagnesie o długości 3,6 m i średnicy 2 m, zapewniającym jednorodne pole magnetyczne o natężeniu 0,44 T.

Antyprotony zatrzymano za pomocą tarczy wodorowej pod ciśnieniem. Zamiast ciekłego wodoru zastosowano tarczę wodorową, aby zminimalizować ilość materii w objętości rozpadu. Cel początkowo miał promień 7 cm i był poddawany ciśnieniu 16 bar. Zmieniony w 1994 r., jego promień stał się równy 1,1 cm, pod ciśnieniem 27 barów.

Układ detektora

Detektor CPLEAR

Detektor musiał spełniać specyficzne wymagania eksperymentu, a więc musiał być w stanie:

• przeprowadzić skuteczną identyfikację kaonu
• wybierz kanały anihilacji wymienione w opisie obiektu spośród bardzo dużej liczby wielopionowych kanałów anihilacji
• rozróżnić różne kanały rozpadu neutralnego kaonu
• zmierzyć właściwy czas rozpadu
• uzyskiwać dużą liczbę statystyk, aw tym celu musiał mieć zarówno wysoką szybkość, jak i duży zasięg geometryczny

⁰ Cylindryczne detektory śledzące wraz z polem elektromagnetycznym posłużyły do ​​określenia znaków ładunku, pędów i pozycji naładowanych cząstek. Za nimi podążał detektor identyfikacji cząstek (PID), którego rolą była identyfikacja naładowanego kaonu. Został on złożony przez detektor Czerenkowa , który przeprowadził separację kaonu od pionu; i scyntylator s , mierzący straty energii i czas lotu naładowanych cząstek. Był również używany do elektron -pion. Wykrywanie fotonów wytwarzanych podczas rozpadów π zostało przeprowadzone przez ECAL, najbardziej zewnętrzny kalorymetr do pobierania próbek ołowiu/gazu, uzupełniający PID poprzez oddzielenie pionów i elektronów przy wyższych momentach. Wreszcie, zastosowano procesory przewodowe (HWK) do analizy i selekcji zdarzeń w ciągu kilku mikrosekund, usuwając niechciane, zapewniając pełną rekonstrukcję zdarzenia z wystarczającą precyzją.

Linki zewnętrzne

• Zapis eksperymentu CPLEAR na INSPIRE-HEP
• stronie CPLEAR