CPLEAR experiment - CPLEAR experiment

Experimentální oblast nízkoenergetického antiprotonového kruhu.

The CPLEAR experiment použil antiproton paprsek zařízení LEAR - Nízké-Energie Antiprotonový prsten, který operoval v CERN od roku 1982 do roku 1996 - vyrábět neutrálně kaons přes proton -antiproton zničení abych mohl studovat CP, T a CPT porušení v systému neutrálního kaonu.[1]

Pozadí

Podle teorie Velký třesk, hmota a antihmota by existovaly ve stejné výši na začátku Vesmír. Pokud to byla pravda, částices a antičástices by se navzájem zničili, vytvořili fotons, a vesmír by tedy byl jen složen světlo (jedna částice hmoty za 1018 fotony). Zůstala však pouze hmota, a to rychlostí miliardkrát více částic, než se očekávalo. Co se stalo poté, co antihmota zmizela ve prospěch hmoty? Možná odpověď na tuto otázku je baryogeneze, hypotetický fyzický proces, který proběhl během raného vesmíru a který vytvořil baryonickou asymetrii, tj. nerovnováhu hmota (baryony) a antihmota (antibaryony) ve pozorovaném vesmíru. Baryogeneze je však možná pouze za následujících podmínek podmínky navrhl Andrej Sacharov v roce 1967:

První experimentální test Porušení CP přišel v roce 1964 s Fitch-Croninův experiment. Experiment zahrnoval částice zvané neutrální K-mezony, které naštěstí mají vlastnosti potřebné k testování CP. Za prvé, jako mezony, jsou kombinací a tvaroh a antikvark, v tomto případě, dolů a antistrange nebo anti-dolů a podivný. Zadruhé, dvě různé částice mají různé hodnoty CP a různé rozklad režimy: K.1 má CP = +1 a rozpadá se na dvě části piony; K.2 má CP = -1 a rozpadá se na tři. Protože se rozpady s většími změnami hmotnosti vyskytují snadněji, K.1 rozpad se vyskytuje stokrát rychleji než K.2 rozklad. To znamená, že dostatečně dlouhý paprsek neutrálních Kaonů se stane libovolně čistým K.2 po dostatečném čase. Experiment Fitch-Cronin to využívá. Pokud všechny K1s se mohou rozpadat z paprsku smíšených Kaonů, pouze K.2 je třeba pozorovat rozpad. Pokud existuje K1 jsou nalezeny rozpady, to znamená, že K.2 převráceno na K.1a CP pro částice se převrátilo z -1 na +1 a CP se nezachovalo. Výsledkem experimentu bylo více než 45 ± 9 událostí kolem cos (θ) = 1 ve správném hmotnostním rozmezí pro rozpady 2-pionů. To znamená, že pro každý rozpad K2 na tři piony jsou (2,0 ± 0,4) × 10-3 rozpady na dva piony. Z tohoto důvodu neutrální K mezony porušují CP.[2] Studium poměru produkce neutrálních kaonů a neutrálních anti-kaonů je tedy účinným nástrojem k pochopení toho, co se stalo v raném vesmíru, který podporoval produkci hmoty.[3]

Pokus

CPLEAR je spolupráce asi 100 vědců pocházejících ze 17 institucí z 9 různých zemí. Experiment, který byl přijat v roce 1985, vzal data od roku 1990 do roku 1996.[1] Jeho hlavním cílem bylo studovat CP, T a 'CPT symetrie v systému neutrálního kaonu.

CPLEAR navíc provedl měření o kvantu soudržnost z vlnová funkces, Bose-Einsteinovy ​​korelace ve vícepion stavy, regenerace krátkodobé kaonové složky v hmotě, Einstein-Rosen-Podolsky paradox pomocí zapletených párů neutrálních kaonů a princip ekvivalence z obecná relativita.[4]

Popis zařízení

Schéma detektoru CPLEAR.

Detektor CPLEAR byl schopen určit umístění, hybnost a náboje stopy při produkci neutrálního kaonu a při jeho rozpadu, což vizualizuje celou událost.

Podivnost není zachována při slabých interakcích, což znamená, že při slabých interakcích a
K.0
 může transformovat do
K.0
 a naopak. Chcete-li studovat asymetrie mezi
K.0
 a
K.0
 rychlosti rozpadu v různých konečných stavech f (f = π+π−, π0π0, π+π−π0, π0π0π+, πlν), spolupráce CPLEAR využila skutečnosti, že podivnost kaonů je označena nábojem doprovodného kaonu. Časově reverzní invariance by znamenalo, že všechny podrobnosti jedné z transformací lze odvodit od druhé, tj pravděpodobnost pro kaon oscilovat do anti-kaon by se rovnal tomu pro reverzní proces. Měření těchto pravděpodobností vyžadovalo znalosti o podivnost kaonu ve dvou různých obdobích jeho života. Protože podivnost kaonu je dána nabít doprovázejícího kaonu, a tedy být pro každého znám událost, bylo zjištěno, že tato symetrie nebyla respektována, což dokazuje T porušení v systémech neutrálního kaonu při slabé interakci.[3]

Neutrální kaony se zpočátku produkují v anihilačních kanálech


  • str
    p → π+
    K.−
    K.0

  • str
    p → π−
    K.+
    K.0
    [3]

které se stanou, když 10.6 paprsek anti-protonů za sekundu přicházející ze zařízení LEAR je zastaven vysoce pod tlakem vodík plyn cílová. Nízká hybnost antiprotonů a vysokých tlak povoleno udržovat velikost zastavovací oblasti v detektor.[5] Protože proton-antiprotonová reakce probíhá v klidu, částice jsou produkovány izotropicky V důsledku toho musí mít detektor symetrii blízké 4π. Celý detektor byl zabudován do teplého solenoidového ohřívače o délce 3,6 ma průměru 2 m magnet poskytující 0,44 T uniformu magnetické pole.[3]

Antiprotony přestaly používat cíl pod tlakem vodíku. Terč pro vodíkový plyn byl použit místo kapalného vodíku k minimalizaci množství hmoty v rozpadovém objemu. Terč měl zpočátku poloměr 7 cm a byl vystaven tlaku 16 barů. Po změně v roce 1994 se jeho poloměr při tlaku 27 barů rovnal 1,1 cm.[3]

Uspořádání detektoru

Detektor CPLEAR

Detektor musel splňovat specifické požadavky experimentu, a tak musel být schopen:

  • proveďte efektivní identifikaci kaonu
  • vyberte zničení kanály uvedené v Popis zařízení mezi velmi velkým počtem vyhlazovacích kanálů s více piony
  • rozlišovat mezi různými kanály rozpadu neutrálních kaonů
  • změřte správný čas rozpadu
  • získat velké množství statistik, a proto muselo mít jak schopnost vysoké rychlosti, tak velké geometrické pokrytí[3]

Válcové sledovací detektory spolu se solenoidovým polem byly použity ke stanovení nábojových značek, hybnosti a poloh nabitých částic. Za nimi následoval detektor identifikace částic (PID), jehož úlohou bylo identifikovat nabitý kaon. Bylo to složeno a Čerenkovův detektor, který provedl separaci kaon-pion; a scintilátors, měření energetické ztráty a čas letu nabitých částic. To bylo také používáno pro elektron -pion separace. Detekce fotonů produkovaných v π0 rozpady byly provedeny pomocí ECAL, nejvzdálenějšího kalorimetru pro odběr vzorků olova / plynu, doplňkového k PID oddělením pionů a elektronů ve vyšším momentu. Nakonec byly hardwarové procesory (HWK) použity k analýze a výběru událostí během několika mikrosekund, odstranění nežádoucích, poskytnutím úplné rekonstrukce události s dostatečnou přesností.[3]

Reference

  1. ^ A b „Vítejte v experimentu CPLEAR“. CPLEAR experiment. Thomas Ruf. Citováno 2018-07-09. Obecný úvod k experimentu
  2. ^ Coleman, Stuart. „Experiment Fitch-Cronin“. Citováno 27. června 2019.
  3. ^ A b C d E F G Gabathuler, E .; Pavlopoulos, P. (2004). "Experiment CPLEAR". Fyzikální zprávy. 403-404: 303–321. Bibcode:2004PhR ... 403..303G. doi:10.1016 / j.physrep.2004.08.020.
  4. ^ Angelopoulos, A. (2003). Fyzika na CPLEAR. Fyzikální zprávy (Zpráva). 374. ISSN  0370-1573.
  5. ^ Angelopoulos, A .; Apostolakis, A .; Aslanides, E. (2003). "Fyzika na CPLEAR". Fyzikální zprávy. 374 (3): 165–270. Bibcode:2003PhR ... 374..165A. doi:10.1016 / S0370-1573 (02) 00367-8. ISSN  0370-1573.