オルソポジトロニウムを用いた、CP/CPTの破れの探索

基本的な対称性である、CP 対称性の破れは、宇宙の物質と反物質のバランスを決める上で、大きな鍵になると考えられています。クォークセクターにおける CP の破れは良く知られていて、2008 年の小林先生と益川先生のノーベル賞の受賞理由でもあります。ところが、このクォークセクターの CP の破れだけでは、宇宙の物質と反物質のバランスを説明する事ができません。そこでわれわれは、ポジトロニウムを用いて、レプトンセクターでの CP 対称性の破れを探索しました。
われわれの測定では、CP 対称性を測定するために、オルソポジトロニウムのスピン(S) と崩壊ガンマ線の方向 (大きい順に k1、k2、k3) との間の角度相関を利用します。

オルソポジトロニウムの崩壊の際、CP対称性を破る項。

スピンの方向と、2 本のガンマ線の方向を組み合わせて、(S・k1)(S・k1×k2) という項を作ると、この項は CP 対称性を破る項となります。したがって、この組み合わせの分布を調べて、0 でなければ CP が破れている事になります。

回転テーブルを使用した実験装置。

この測定のために、われわれは専用に装置を設計、製作しました。上の写真がその装置です。中心に Ps 生成部があり、22Na からの β+ 線をシリカエアロゲル中で止める事によりポジトロニウムを作っています。この際、プラスチックシンチレータでタイミングをタグしています。生成されたポジトロニウムには約 5 キロガウスの磁場を印加しており、欲しいスピン成分のもの以外は短寿命で崩壊してしまいます。崩壊ガンマ線は、周囲に配置した 4 個のガンマ線検出器 (LYSO シンチレータ) で検出します。また、磁石を除いた全体が回転テーブル上に乗っており、磁場に対する方向を変える事により、系統誤差の少ない測定が可能になっています。
この検出器を用いて、約半年間測定を行いました。

2本の崩壊ガンマ線のエネルギー分布。

タイミングウインドウをかけて、欲しいスピンのオルソポジトロニウムイベントだけを抜き出したのが上の二次元スペクトルです。ペアとなる 150°の角度の検出器のエネルギーがそれぞれ、縦軸、横軸に表されています。赤い弧の部分がオルソポジトロニウム崩壊からのイベントです。このうち、先程の項を作るイベントは、黒い線で囲った 2 つの 5 角形に入っています。
両方の 5 角形の中のイベント数と、磁石の方向との間の相関関係を見る事によって、先程の CP を破る項の分布を得る事が出来ます。その分布を見ると、磁石がどちらを向いていても、つまり、S の方向がどちらを向いていても、イベント数の偏りは無い事がわかりました。これは、CP 対称性が破れていない事を意味します。

磁石と検出器の角度を変化させたときの非対称度の分布。

シミュレーションの結果との比較により、CP 対称性の破れのパラメータ CCP に対して、CCP=0.0013±0.0021(stat.)±0.0006(sys.) の制限を得る事が出来ました。この結果は、これまでにポジトロニウムで得られていた制限を約 7 倍上回る制限です。系統誤差を減らす専用の検出器をデザインして測定する事で、厳しい制限を得る事が出来ました。

また、CP の破れの探索と同様の手法を用いて、CPT の破れの探索を行えないかのスタディーも行っています。

発表資料