CLEAR experiment

Lågenergi antiprotonring experimentellt område.

CPLEAR -experimentet använde antiprotonstrålen från LEAR-anläggningen - Low- Energy Antiproton Ring som fungerade vid CERN från 1982 till 1996 - för att producera neutrala kaoner genom proton - antiprotonförintelse för att studera CP- , T- och CPT - överträdelser i den neutrala kaonen systemet.

Bakgrund

Enligt teorin om Big Bang skulle materia och antimateria ha funnits i samma mängd i början av universum . Om detta var sant, skulle partikel s och antipartikel s ha förintat varandra och skapat foton s , och därmed skulle universum endast ha sammansatts av ljus (en partikel av materia för 10 ¹⁸ fotoner). Men bara materia har blivit kvar och med en hastighet av en miljard gånger fler partiklar än förväntat. Vad hände då, att antimaterien försvann till förmån för materien? Ett möjligt svar på denna fråga är baryogenes , den hypotetiska fysiska process som ägde rum under det tidiga universum som producerade baryonisk asymmetri, dvs obalansen mellan materia (baryoner) och antimateria (antibaryoner) i det observerade universum. Men baryogenes är endast möjlig under följande förhållanden som föreslagits av Andrei Sacharov 1967:

• Baryon nummer $B$ överträdelse.
• Brott mot C-symmetri och CP-symmetri .
• Interaktioner utanför termisk jämvikt .

Det första experimentella testet av CP-kränkning kom 1964 med Fitch-Cronin-experimentet . Experimentet involverade partiklar som kallas neutrala K-mesoner , som slumpmässigt har de egenskaper som behövs för att testa CP. För det första, som mesoner, är de en kombination av en kvark och en anti-kvark, i det här fallet, dun och antikonstig , eller anti-dun och konstigt . För det andra har de två olika partiklarna olika CP-värden och olika sönderfallslägen : K ₁ har CP = +1 och sönderfaller till två pioner ; K ₂ har CP = -1 och sönderfaller till tre. Eftersom sönderfall med större massaförändringar sker lättare, sker K ₁ -sönderfallet 100 gånger snabbare än K ₂ -sönderfallet. Detta betyder att en tillräckligt lång stråle av neutrala Kaoner kommer att bli godtyckligt ren K ₂ efter en tillräcklig tid. Fitch-Cronin-experimentet utnyttjar detta. Om alla K ₁ s tillåts sönderfalla ur en stråle av blandade Kaoner, bör endast K ₂ sönderfall observeras. Om några K ₁ sönderfall hittas, betyder det att en K ₂ vändes till en K ₁ , och CP:n för partiklarna vände från -1 till +1, och CP var inte bevarad. Experimentet resulterade i ett överskott på 45±9 händelser runt cos(θ) = 1 i det korrekta massintervallet för 2-pion-sönderfall. Detta betyder att för varje sönderfall av K ₂ till tre pioner finns det (2,0±0,4)×10-3 sönderfall till två pioner. På grund av detta bryter neutrala K-mesoner mot CP. Studiet av förhållandet mellan neutral kaon och neutral anti-kaon produktion är således ett effektivt verktyg för att förstå vad som hände i det tidiga universum som främjade produktionen av materia.

Experimentet

CPLEAR är ett samarbete mellan cirka 100 forskare, som kommer från 17 institutioner från 9 olika länder. Experimentet accepterades 1985 och tog data från 1990 till 1996. Dess huvudsakliga syfte var att studera CP , T och ' CPT symmetrier i det neutrala kaonsystemet.

Dessutom utförde CPLEAR mätningar om kvantkoherens av vågfunktion s , Bose -Einstein-korrelationer i multipiontillstånd , regenerering av den kortlivade kaonkomponenten i ämnet, Einstein-Rosen-Podolsky-paradoxen med hjälp av intrasslade neutral-kaon-partillstånd och ekvivalensprincipen för allmän relativitet .

Anläggningsbeskrivning

Ett schema för CPLEAR-detektorn.

CPLEAR-detektorn kunde fastställa platserna, momentan och laddningarna för spåren vid produktionen av den neutrala kaonen och vid dess förfall, och visualiserade på så sätt hela händelsen.

⁰⁰⁰⁰⁰ Konstighet bevaras inte under svaga interaktioner, vilket innebär att under svaga interaktioner kan ett
K ⁰
förvandlas till ett
K ⁰
och vice versa. För att studera asymmetrierna mellan
K ⁰
och
K ⁰
avklingningshastigheter i de olika sluttillstånden f (f = π ⁺ π ⁻ , π π , π ⁺ π ⁻ π , π π π ⁺ , π l ν), använde CPLEAR-samarbetet det faktum att kaonernas konstighet är märkt av anklagelsen från den medföljande kaonen. Tidsomkastningsinvarians skulle innebära att alla detaljer i en av transformationerna skulle kunna härledas från den andra, dvs. sannolikheten för en kaon att oscillera till en anti-kaon skulle vara lika med den för den omvända processen. Mätningen av dessa sannolikheter krävde kunskap om det konstiga hos en kaon vid två olika tidpunkter av dess liv. Eftersom kaonens konstighet ges av laddningen av den medföljande kaonen, och därmed vara känd för varje händelse , observerades det att denna symmetri inte respekterades, vilket bevisade T -överträdelsen i neutrala kaonsystem under svag interaktion.

De neutrala kaonerna produceras initialt i förintelsekanalerna

• 
  p
  p → π ⁺
  K ⁻
  
  K ⁰
  
• 
  p
  p → π ⁻
  K ⁺
  
  K ⁰
  

som händer när strålen med 10 6 ^antiprotoner per sekund som kommer från LEAR-anläggningen stoppas av ett högtrycksatt vätgasmål . Antiprotonernas låga momentum och det höga trycket gjorde det möjligt att hålla storleken på stoppområdet liten i detektorn . Eftersom proton-antiprotonreaktionen sker i vila, produceras partiklarna isotropiskt , och som en konsekvens måste detektorn ha en symmetri nära 4π. Hela detektorn var inbäddad i en 3,6 m lång och 2 m diameter varm solenoidmagnet som gav ett 0,44 T enhetligt magnetfält .

Antiprotonerna stoppades med användning av ett trycksatt vätgasmål. Ett vätgasmål användes istället för flytande väte för att minimera mängden materia i sönderfallsvolymen. Målet hade initialt en radie på 7 cm och utsattes för ett tryck på 16 bar. Ändrad 1994 blev dess radie lika med 1,1 cm, under ett tryck på 27 bar.

Layout av detektorn

CPLEAR-detektorn

Detektorn måste uppfylla de specifika kraven för experimentet och måste därför kunna:

• gör en effektiv kaon-identifiering
• välj de förintelsekanaler som nämns i anläggningsbeskrivningen bland det mycket stora antalet förintelsekanaler med flera pioner
• skilja mellan de olika neutral-kaon-sönderfallskanalerna
• mäta sönderfallet korrekt tid
• skaffa ett stort antal statistik, och för detta måste den ha både en hög hastighetskapacitet och en stor geometrisk täckning

⁰ Cylindriska spårningsdetektorer tillsammans med ett solenoidfält användes för att bestämma laddningstecken, moment och positioner för de laddade partiklarna. De följdes av partikelidentifieringsdetektorn (PID) vars roll var att identifiera den laddade kaonen. Det komponerades av en Cherenkov-detektor , som utförde kaon-pion-separationen; och scintillator s , som mäter energiförlusten och flygtiden för de laddade partiklarna. Den användes också för elektron -pion-separationen. Detekteringen av fotoner som produceras i π- sönderfall utfördes av ECAL, en yttersta bly/gas provtagningskalorimeter, komplementär till PID genom att separera pioner och elektroner vid högre momenta. Slutligen användes hårdkopplade processorer (HWK) för att analysera och välja händelserna på några mikrosekunder, ta bort de oönskade, genom att tillhandahålla en fullständig händelserekonstruktion med tillräcklig precision.

Externa länkar

• CPLEAR experimentpost på INSPIRE-HEP
• CPLEAR hemsida