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2014年度
原子核物理学 I
第10章：弱い相互作用における対称性の破れ
飯嶋 徹
時空の対称性: C, P, T 対称性
•  C, P, T 変換
–  C (荷電共役, charge conjugation)
粒子⇔反粒子（電荷及び磁気モーメントの符号を反転）
–  P (鏡映変換, parity)
x ⇔ -x (空間座標のみを反転）
–  T (時間反転, time reversal)
t ⇔ -t
物理量
C
P
T
•  物理量の変換性
位置ベクトル r
r
-r
r
運動量
p
p
-p
-p
角運動量
J
J
J
-J
スピン
s
s
s
-s
ヘリシティ
H H
-H
H
粒子
反粒子 粒子
粒子2
パリティーの破れ
•  １９５７年　パリティの破れ
–  コバルト原子核のベータ崩壊
参考：パイ中間子の崩壊
l
−
π
−
νµ
J =0
ml = 0
もし　ならば、完全に禁止。
有限質量なら混じり合いが起こる。∝ (1 − β )
π + → e + +ν e 1.23 ×10−4
=
+
+
π → µ +ν µ 0.9998770
静止π中間子から出る電子のエネルギー分布
π + → µ + +ν µ
e +ν e +ν µ
+
π → e +ν e
+
+
参考：ニュートリノのヘリシティー決定
•  M.Goldhaber, L.Grodzins, A.W.Sunyar (1957)
非常に巧妙な実験
どんな原理で測ったか？
調べてみよう！
弱い相互作用における対称性の破れ
•  ニュートリノは左巻、反ニュートリノは右巻
スピン
Ｐ変換
ν
ν
ＣＰ変換
Ｃ変換
ν
ν
が、しかし。。。
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K崩壊におけるCPの破れ
• 
K0とK0
CP K 0 = K 0
は互いに反粒子
CP K 0 = K 0
•  CP固有状態（K1,K2）：
1
K0 + K0
2
1
=
K0 − K0
2
K1 =
K2
(
(
)
)
CP K1 = + K1
CP K 2 = − K 2
•  CPが保存すれば
K1 → ππ
K 2 → πππ
短寿命(Ks): 0.893×10-10 sec
長寿命(KL): 5.17×10-8 sec
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Fitch-Cronin の実験
V. Fitch
J. Cronin
10
Fitch-Cronin の実験結果
π+π-の質量がＫの質量
と一致する場合のみ、
前方（Ｋの飛来する方
向）にピークが見える。
Γ(KL→π+π-)/ Γ(KL→all charged)
= (2.0±0.4) x 10-3
2 1/2
K S =(1+ ε ) ⎡⎣ K1 +ε K 2 ⎤⎦
2 1/2
K L =(1+ ε ) ⎡⎣ε K1 + K 2 ⎤⎦
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KEKB加速器
•  世界最高強度を誇る加速器で大量の
B中間子と反B中間子を生成。
•  主要目的：粒子-反粒子（CP）対称性
の破れの謎を解明。
e-（8GeV)
e+（3.5GeV)
ルミノシティー
2.1 x 1034 cm-2s-1 !
年間約2億対のBBを生成
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小林・益川理論の定量的検証結果
0 tag
B
_
B0 tag
消えた反粒子？
可能なシナリオ…
X →q+e
X と X の崩壊率の非対称度～Ｏ(10-10)
X →q +e
物質優勢の宇宙
10,000,000,001
クォーク
10,000,000,000
反クォーク
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消えた反粒子？
可能なシナリオ…
X →q+e
X →q +e
X と X の崩壊率の非対称度～Ｏ(10-10)
物質優勢の宇宙
1
これが我々！
CP (粒子-反粒子) 対称性の破れが鍵をにぎる。
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タウ・レプトンの崩壊と新物理の探索
•  クォークでは混合とCPの破れがある。
•  ニュートリノにも混合（振動）。　CPの破れは？
•  荷電レプトンでは　？？？
νe
e
ντ
νµ
?
χ 0
τ
?
µ
γ
τ
τ

µ (e)
µ (e)
(m 2l ) 23(13)
スーパーBファクトリーで、
τàµ、τàe の混合を最高感度で探索！
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ニュートリノ物理
•  Neutrino Oscillation à Non-zero mass
•  How heavy are they ?
•  How do they mix ?
No oscillation
Figure from “Symmetry”
magazine
ν µ →ντ
素粒子と初期宇宙史
10-44力の大統一
Big Bang !
超弦理論
32
19
10 /10
1028/1015
ゲージ
理論
1015/100
10-36
X?
ν
1012/0.1
W
q
10-5
CPの破れ
時間（秒）
標準理論
Z
l クォーク/レプトン
q
ν ニュートリノ
新しいハドロン状態
q
QGP (クォーク・ q q
q
温度/Ｅグルーオン・プラズマ）
（Ｋ/ＧｅＶ）
WMAP衛星
ダーク・エネルギー (73%)
ダーク・マター(23%)
物質優勢宇宙
新しい物理
10-10
~1 TeV
超対称性
H ヒッグス
l
宇宙論・宇宙物理
q
q q
ハドロン
qq
q
q q
元素合成
p n
原子核 n p