Experimento CPLEAR

El experimento CPLEAR utilizó el haz de antiprotones de la instalación LEAR (Low- Energy Antiproton Ring) , que operó en el CERN de 1982 a 1996, para producir kaones neutros mediante la aniquilación protón - antiprotón con el fin de estudiar la violación de CP , T y CPT en el sistema de kaones neutros. ^[¹^]

Fondo

Según la teoría del Big Bang , la materia y la antimateria habrían existido en igual cantidad al comienzo del Universo . Si esto fuera cierto, las partículas y antipartículas se habrían aniquilado mutuamente, creando fotones , y así el Universo se habría compuesto únicamente de luz ( una partícula de materia por cada ^10¹⁸ fotones). Sin embargo, solo ha permanecido la materia, y a un ritmo mil millones de veces mayor que el esperado. ¿Qué sucedió 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 primitivo y que produjo la asimetría bariónica, es decir, el desequilibrio entre 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 $B$ violación.
Violación de la simetría C y de la simetría CP .
Interacciones fuera del equilibrio térmico .

La primera prueba experimental de violación de CP se realizó en 1964 con el experimento Fitch-Cronin . El experimento involucró partículas llamadas mesones K neutros , que casualmente poseen las propiedades necesarias para probar CP. Primero, como mesones, son una combinación de un quark y un antiquark, en este caso, down y antistrange , o antidown y strange . Segundo, las dos partículas diferentes tienen valores de CP distintos y modos de desintegración distintos : K ₁ tiene CP = +1 y se desintegra en dos piones ; K ₂ tiene CP = −1 y se desintegra en tres. Debido a que las desintegraciones con mayores cambios de masa ocurren con mayor facilidad, la desintegración de K ₁ ocurre 100 veces más rápido que la de K _2. Esto significa que un haz suficientemente largo de kaones neutros se convertirá en K ₂ arbitrariamente puro después de un tiempo suficiente. El experimento Fitch-Cronin aprovecha esta propiedad. Si se permite que todos los K ₁ se desintegren a partir de un haz de kaones mixtos, solo deberían observarse desintegraciones de K _{2. Si se encuentra alguna desintegración de K}₁ , significa que un K ₂ se transformó en un K ₁ , y el CP para las partículas cambió 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 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 el CP. ^{[ 2 ]} El estudio de la relación de producción de kaones neutros y antikaones neutros es, por lo tanto, una herramienta eficiente para comprender lo que sucedió en el Universo temprano que promovió la producción de materia. ^{[ 3 ]}

El experimento

CPLEAR es una colaboración de aproximadamente 100 científicos, provenientes de 17 instituciones de 9 países diferentes. Aceptado en 1985, el experimento tomó datos desde 1990 hasta 1996. ^{[ 1 ]} Su objetivo principal era estudiar las simetrías CP , T y CPT en el sistema de kaones neutros.

Además, CPLEAR realizó mediciones sobre la coherencia cuántica de la función de onda s , correlaciones de Bose-Einstein en estados multipiónicos , regeneración del componente kaónico de corta duración en la materia, la paradoja de Einstein-Rosen-Podolsky utilizando estados de pares neutro-kaónico entrelazados y el principio de equivalencia de la relatividad general . ^{[ 4 ]}

Descripción de las instalaciones

El detector CPLEAR fue capaz de determinar las ubicaciones, los momentos y las cargas de las trazas en la producción del kaón neutro y en su desintegración, visualizando así el evento completo.

La extrañeza no se conserva bajo interacciones débiles, lo que significa que bajo interacciones débiles un K ⁰puede transformarse en un K ⁰y viceversa. Para estudiar las asimetrías entre K ⁰y K ⁰tasas de desintegración en 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 utilizó el hecho de que la extrañeza de los kaones está etiquetada por la carga del kaón acompañante. La invariancia de inversión temporal 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 antikaón sería igual a la del proceso inverso. La medición de estas probabilidades requirió el conocimiento de la extrañeza de un kaón en dos momentos diferentes de su vida. Dado que la extrañeza del kaón viene dada por la carga del kaón acompañante, y por lo tanto se conoce para cada evento , se observó que esta simetría no se respetaba, lo que demuestra la violación de T en sistemas de kaones neutros bajo interacción débil. ^{[ 3 ]}

Los kaones neutros se producen inicialmente en los canales de aniquilación.

p p → π⁺K ⁻K ⁰
p p → π⁻K ⁺K ⁰^{[ 3 ]}

que ocurren cuando el haz de ^10⁶ antiprotones por segundo proveniente de la instalación LEAR es detenido por un blanco de gas hidrógeno altamente presurizado. El bajo momento de los antiprotones y la alta presión permitieron mantener pequeño el tamaño de la región de frenado en el detector . ^[⁵^] Dado que la reacción protón-antiprotón ocurre en reposo, las partículas se producen isotrópicamente y, como consecuencia, el detector debe tener una simetría cercana a 4π. Todo el detector estaba integrado en un imán solenoidal caliente de 3,6 m de largo y 2 m de diámetro que proporcionaba un campo magnético uniforme de 0,44 T. ^[³^]

Los antiprotones se detuvieron utilizando un blanco de hidrógeno gaseoso presurizado. Se utilizó un blanco de hidrógeno gaseoso en lugar de hidrógeno líquido para minimizar la cantidad de materia en el volumen de desintegración. Inicialmente, el blanco tenía un radio de 7 cm y estaba sometido a una presión de 16 bar. En 1994, su radio se modificó a 1,1 cm, bajo una presión de 27 bar. ^{[ 3 ]}

Disposición del detector

El detector debía cumplir los requisitos específicos del experimento y, por lo tanto, debía ser capaz de:

realizar una identificación eficiente de kaones
Seleccione los canales de aniquilación mencionados en la descripción de la instalación entre la gran cantidad de canales de aniquilación de multipiones.
distinguir entre los diferentes canales de desintegración de kaones neutros
medir el tiempo propio de desintegración
adquirir una gran cantidad de estadísticas, y para ello, tenía que tener tanto una alta capacidad de tasa como una gran cobertura geométrica ^{[ 3 ].}

Se utilizaron detectores de seguimiento cilíndricos junto con un campo solenoide para determinar los signos de carga, los momentos y las posiciones de las partículas cargadas. A continuación, se empleó el detector de identificación de partículas (PID), cuya función era identificar el kaón cargado. Este se complementó con un detector Cherenkov , que realizaba la separación kaón-pión, y centelleadores , que medían la pérdida de energía y el tiempo de vuelo de las partículas cargadas. También se utilizó para la separación electrón -pión. La detección de fotones producidos en las desintegraciones de ^π⁰ se realizó mediante ECAL, un calorímetro de muestreo de plomo/gas externo, complementario al PID al separar piones y electrones a 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 del evento con suficiente precisión. ^{[ 3 ]}

Referencias

1 2 "Bienvenido al experimento CPLEAR" . Experimento CPLEAR . Thomas Ruf . Consultado el 9 de julio de 2018. Introducción general al experimento.
↑ Coleman, Stuart. "El experimento Fitch-Cronin" . Consultado el 27 de junio de 2019 .
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↑ Angelopoulos, A. (2003). Física en CPLEAR. Physics Reports (Informe). Vol. 374. ISSN 0370-1573 .
↑ Angelopoulos, A.; Apostolakis, A.; Aslanides, E. (2003). "Física en CPLEAR". Physics Reports . 374 (3): 165– 270. Bibcode : 2003PhR...374..165A . doi : 10.1016/S0370-1573(02)00367-8 . ISSN 0370-1573 .

Enlaces externos

Registro del experimento CPLEAR en INSPIRE-HEP
Sitio web de CPLEAR

[ruf_CPLEAR_website_CERN-1] 1 2 "Bienvenido al experimento CPLEAR" . Experimento CPLEAR . Thomas Ruf . Consultado el 9 de julio de 2018. Introducción general al experimento.

[fitch-cronin-2] Coleman, Stuart. "El experimento Fitch-Cronin" . Consultado el 27 de junio de 2019 .

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[PhysicsAtCPLEAR2003-4] Angelopoulos, A. (2003). Física en CPLEAR. Physics Reports (Informe). Vol. 374. ISSN 0370-1573 .

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