Эксперимент CPLEAR использовал пучок антипротонов установки LEAR – низкоэнергетического антипротонного кольца, которое работало в ЦЕРНе с 1982 по 1996 год – для получения нейтральных каонов посредством аннигиляции протонов и антипротонов с целью изучения нарушения CP , T и CPT в системе нейтральных каонов. [1]
Согласно теории Большого взрыва , материя и антиматерия существовали бы в одинаковом количестве в начале Вселенной . Если бы это было правдой, частицы и античастицы уничтожили бы друг друга, создав фотоны , и, таким образом , Вселенная была бы составлена только светом (одна частица материи на 1018 фотонов ). Однако осталась только материя, причем в миллиард раз больше частиц, чем ожидалось. Что же произошло потом, чтобы антиматерия исчезла в пользу материи? Возможным ответом на этот вопрос является бариогенезис , гипотетический физический процесс, который имел место в ранней Вселенной, который создал барионную асимметрию, т. е. дисбаланс материи (барионов) и антиматерии (антибарионов) в наблюдаемой Вселенной. Однако бариогенезис возможен только при следующих условиях, предложенных Андреем Сахаровым в 1967 году:
Первая экспериментальная проверка нарушения CP-симметрии была проведена в 1964 году в эксперименте Фитча-Кронина . В эксперименте участвовали частицы, называемые нейтральными K-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 down и antistrange , или anti-down и strange . 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 K 1 происходит в 100 раз быстрее, чем распад K 2. Это означает, что достаточно длинный пучок нейтральных каонов станет произвольно чистым K 2 через достаточное количество времени. Эксперимент Фитча-Кронина использует это. Если все K 1 могут распадаться из пучка смешанных каонов, должны наблюдаться только распады K 2. Если обнаружены какие-либо распады K 1 , это означает, что K 2 перевернулся в K 1 , а CP для частиц перевернулся с −1 на +1, и CP не сохранился. Эксперимент привел к избытку 45±9 событий около cos(θ) = 1 в правильном диапазоне масс для 2-пионных распадов. Это означает, что для каждого распада K 2 на три пиона существует (2,0±0,4)×10-3 распадов на два пиона. Из-за этого нейтральные K-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, что способствовало образованию материи. [3]
CPLEAR — это совместная работа около 100 ученых из 17 институтов 9 разных стран. Принятый в 1985 году, эксперимент использовал данные с 1990 по 1996 год. [1] Его главной целью было изучение симметрий CP , T и CPT в системе нейтральных каонов.
Кроме того, CPLEAR выполнил измерения квантовой когерентности волновой функции s , корреляций Бозе-Эйнштейна в многопионных состояниях , регенерации короткоживущей каонной компоненты в веществе, парадокса Эйнштейна-Розена-Подольского с использованием запутанных состояний нейтральных каонных пар и принципа эквивалентности общей теории относительности . [4]
Детектор CPLEAR смог определить местоположения, импульсы и заряды треков при образовании нейтрального каона и при его распаде, таким образом визуализировав все событие.
Странность не сохраняется при слабых взаимодействиях, что означает, что при слабых взаимодействиях
К0
может трансформироваться в
К0
и наоборот. Изучить асимметрию между
К0
и
К0
скорости распада в различных конечных состояниях f (f = π + π − , π 0 π 0 , π + π − π 0 , π 0 π 0 π + , π l ν), коллаборация CPLEAR использовала тот факт, что странность каонов помечена зарядом сопровождающего каона. Инвариантность относительно обращения времени подразумевала бы, что все детали одного из преобразований могут быть выведены из другого, т. е. вероятность того , что каон осциллирует в антикаон, будет равна вероятности обратного процесса. Измерение этих вероятностей требовало знания странности каона в два разных момента его жизни. Поскольку странность каона определяется зарядом сопутствующего каона и, таким образом, известна для каждого события , было замечено, что эта симметрия не соблюдается, тем самым доказывая нарушение T в нейтральных каонных системах при слабом взаимодействии. [3]
Нейтральные каоны первоначально производятся в каналах аннигиляции
которые происходят, когда пучок антипротонов в 106 в секунду, исходящий из установки LEAR, останавливается мишенью из водорода под высоким давлением . Низкий импульс антипротонов и высокое давление позволяют поддерживать небольшой размер области остановки в детекторе . [5] Поскольку реакция протон-антипротон происходит в состоянии покоя, частицы производятся 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, обеспечивающий однородное магнитное поле 0,44 Тл . [3]
Антипротоны были остановлены с помощью мишени из сжатого водорода. Вместо жидкого водорода использовалась мишень из водорода, чтобы минимизировать количество вещества в объеме распада. Изначально радиус мишени составлял 7 см, и она подвергалась давлению 16 бар. После изменения в 1994 году ее радиус стал равен 1,1 см, при давлении 27 бар. [3]
Детектор должен был соответствовать конкретным требованиям эксперимента и, следовательно, иметь возможность:
Цилиндрические трековые детекторы вместе с соленоидным полем использовались для определения знаков заряда, импульсов и положений заряженных частиц. За ними следовал детектор идентификации частиц (PID), роль которого заключалась в идентификации заряженного каона. Он был дополнен черенковским детектором , который осуществлял разделение каона и пиона; и сцинтиллятором s , измеряющим потерю энергии и время пролета заряженных частиц. Он также использовался для разделения электрона и пиона. Детектирование фотонов, полученных при распадах π 0, выполнялось ECAL, самым внешним свинцово-газовым калориметром для отбора проб, дополняющим PID путем разделения пионов и электронов при более высоких импульсах. Наконец, аппаратно-зашитые процессоры (HWK) использовались для анализа и выбора событий за несколько микросекунд, удаляя нежелательные, обеспечивая полную реконструкцию событий с достаточной точностью. [3]
Общее введение в эксперимент
