El experimento CPLEAR utilizó el antiproton haz de la instalación LEAR - Bajo Energy Anillo Antiprotones que operaba en CERN 1982-1996 - para producir neutral kaón s a través de protón - antiprotón aniquilación el fin de estudiar CP , T y CPT violación en el kaón neutral sistema. [1]
Fondo
Según la teoría del Big Bang , la materia y la antimateria habrían existido en la misma cantidad al comienzo del Universo . Si esto era cierto, partícula s y antipartícula s habría aniquilado entre sí, creando de fotones s , y por lo tanto el universo habría sido sólo agravado por la luz (una partícula de materia durante 10 18 fotones). Sin embargo, solo ha quedado materia ya un ritmo de mil millones de veces más partículas de lo esperado. ¿Qué pasó entonces para que la antimateria desapareciera en favor de la materia? Una posible respuesta a esta pregunta es la bariogénesis , el hipotético proceso físico que tuvo lugar durante el universo temprano que produjo la asimetría bariónica, es decir, el desequilibrio de materia (bariones) y antimateria (antibariones) en el universo observado. Sin embargo, la bariogénesis solo es posible bajo las siguientes condiciones propuestas por Andrei Sakharov en 1967:
- Número bariónico violación.
- C-simetría y CP-simetría violación.
- Interacciones fuera de equilibrio térmico .
La primera prueba experimental de violación de CP se produjo en 1964 con el experimento de Fitch-Cronin . El experimento involucró partículas llamadas mesones K neutros , que fortuitamente tienen las propiedades necesarias para probar la CP. Primero, como mesones, son una combinación de un quark y un anti-quark, en este caso, hacia abajo y anti- desenfoque , o anti-hacia abajo y extraño . En segundo lugar, las dos partículas diferentes tienen diferentes valores de CP y diferentes modos de desintegración : K 1 tiene CP = +1 y se desintegra en dos piones ; K 2 tiene CP = -1 y se descompone en tres. Debido a que las desintegraciones con cambios más grandes en la masa ocurren más fácilmente, la desintegración de K 1 ocurre 100 veces más rápido que la desintegración de K 2 . Esto significa que un haz suficientemente largo de Kaons neutros se convertirá en K 2 arbitrariamente puro después de una cantidad de tiempo suficiente. El experimento de Fitch-Cronin explota esto. Si se permite que todos los K 1 s se desintegran en un haz de Kaons mixtos, solo se deben observar las desintegraciones de K 2 . Si se encuentra alguna desintegración de K 1 , significa que un K 2 cambió a un K 1 , y el CP de las partículas pasó de -1 a +1, y el CP no se conservó. El experimento resultó en un exceso de 45 ± 9 eventos alrededor de cos (θ) = 1 en el rango de masa correcto para las desintegraciones de 2 piones. Esto significa que por cada desintegración de K 2 en tres piones, hay (2,0 ± 0,4) × 10-3 desintegraciones en dos piones. Debido a esto, los mesones K neutros violan la CP. [2] El estudio de la proporción de producción de kaones neutros y anticaones neutros es, por tanto, una herramienta eficaz para comprender lo que sucedió en el Universo temprano que promovió la producción de materia. [3]
El experimento
CPLEAR es una colaboración de alrededor de 100 científicos, provenientes de 17 instituciones de 9 países diferentes. Aceptado en 1985, el experimento tomó datos desde 1990 hasta 1996. [1] Su principal objetivo era estudiar las simetrías CP , T y ' CPT en el sistema de kaon neutro.
Además, CPLEAR realiza mediciones sobre Quantum coherencia de función de onda s , correlaciones de Bose-Einstein en múltiples pión de estados, la regeneración del componente de corta duración kaón en la materia, la paradoja Einstein-Rosen-Podolsky utilizando enreda neutral-Kaon estados par y el principio de equivalencia de la relatividad general . [4]
Descripción de la instalación
El detector CPLEAR pudo determinar las ubicaciones, los momentos y las cargas de las pistas en la producción del kaon neutral y en su decaimiento, visualizando así el evento completo.
La extrañeza no se conserva en interacciones débiles, lo que significa que en interacciones débiles un
K0
puede transformarse en un
K0
y viceversa. Estudiar las asimetrías entre
K0
y
K0
las tasas de descomposición de los diversos estados finales f (f = π + π - , π 0 π 0 , π + π - π 0 , π 0 π 0 π + , π l ν), la colaboración CPLEAR utiliza el hecho de que la extrañeza de kaons está marcado por la carga del kaon acompañante. La invariancia de inversión en el tiempo implicaría que todos los detalles de una de las transformaciones podrían deducirse de la otra, es decir, la probabilidad de que un kaón oscile en un anti-kaón sería igual a la del proceso inverso. La medición de estas probabilidades requirió el conocimiento de la extrañeza de un kaon en dos momentos diferentes de su vida. Dado que la extrañeza del kaon viene dada por la carga del kaon acompañante, y así ser conocido para cada evento , se observó que no se respetó esta simetría, demostrando así la violación de T en sistemas de kaon neutros bajo interacción débil. [3]
Los kaones neutrales se producen inicialmente en los canales de aniquilación.
pag
p → π +
K-
K0
pag
p → π -
K+
K0
[3]
que sucederá cuando el 10 6 anti-protones por segundo haz procedentes de la instalación de LEAR está bloqueada por una presión altamente hidrógeno gas objetivo. El bajo impulso de los antiprotones y la alta presión permitida para mantener el tamaño de la pequeña región parar en el detector . [5] Puesto que la reacción protón-antiprotón ocurre en reposo, las partículas se producen de forma isótropa , y, como consecuencia, el detector tiene que tener una simetría casi 4π. Todo el detector se ha incrustado en un 3,6 m de largo y caliente 2 m de diámetro solenoidal imán proporcionando un uniforme 0,44 T campo magnético . [3]
Los antiprotones dejaron de utilizar un objetivo de gas hidrógeno presurizado. El objetivo de gas de hidrógeno utilizado en lugar de hidrógeno líquido para minimizar la cantidad de materia en el volumen de desintegración. El objetivo tenía inicialmente un radio de 7 cm y se sometió a una presión de 16 bar. Cambiado en 1994, su radio pasó a ser igual a 1,1 cm, bajo una presión de 27 bar. [3]
Disposición del detector
El detector tenía que cumplir con los requisitos específicos del experimento y, por lo tanto, debía poder:
- hacer una identificación de kaon eficiente
- Seleccione los canales de aniquilación mencionados en la descripción de la instalación entre la gran cantidad de canales de aniquilación de múltiples piones.
- distinguir entre los diferentes canales de desintegración de kaones neutros
- medir el tiempo de decaimiento adecuado
- adquirir un gran número de estadísticas, y para ello, tenía que tener tanto una alta capacidad de tasa y una gran cobertura geométrica [3]
Se utilizaron detectores de seguimiento cilíndricos junto con un campo de solenoide para determinar los signos de carga, los momentos y las posiciones de las partículas cargadas. Fueron seguidos por el detector de identificación de partículas (PID) cuya función era identificar el kaon cargado. Fue compuesto por un detector Cherenkov , que llevó a cabo la separación kaon-pion; y centelleador s , la medición de la pérdida de energía y el tiempo de vuelo de las partículas cargadas. También se utilizó para la separación de electrones y piones. La detección de fotones producidos en desintegraciones π 0 fue realizada por ECAL, un calorímetro de muestreo de plomo / gas más externo, complementario al PID al separar piones y electrones en momentos más altos. Finalmente, se utilizaron procesadores cableados (HWK) para analizar y seleccionar los eventos en unos pocos microsegundos, eliminando los no deseados, proporcionando una reconstrucción completa de eventos con suficiente precisión. [3]
Referencias
- ^ a b "Bienvenido al Experimento CPLEAR" . Experimento CPLEAR . Thomas Ruf . Consultado el 9 de julio de 2018 .
Introducción general al experimento
- ^ Coleman, Stuart. "El experimento de Fitch-Cronin" . Consultado el 27 de junio de 2019 .
- ^ a b c d e f g Gabathuler, E .; Pavlopoulos, P. (2004). "El experimento CPLEAR". Informes de física . 403–404: 303–321. Código bibliográfico : 2004PhR ... 403..303G . doi : 10.1016 / j.physrep.2004.08.020 .
- ^ Angelopoulos, A. (2003). Física en CPLEAR. Informes de física (Informe). 374 . ISSN 0370-1573 .
- ^ Angelopoulos, A .; Apostolakis, A .; Aslanides, E. (2003). "Física en CPLEAR". Informes de física . 374 (3): 165–270. Código Bibliográfico : 2003PhR ... 374..165A . doi : 10.1016 / S0370-1573 (02) 00367-8 . ISSN 0370-1573 .