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1 実験 III 素粒子テーマ 素粒子物理学とは 物質の究極の構造 ( 素粒子 ), 素粒子間に働く力 ( 相互作用 ) 時空の構造, 対称性を探求する分野です 担当教員 : 佐藤 TA: 和田 内山連絡先 : 自然学系棟 D208 (x4270) ksato@hep.px.tsukuba.ac.jp

2 実験スケジュール 第 1 回 : 素粒子物理概説,μ 粒子寿命測定法, 同軸ケーブルとインピーダンス,NIMモジュールの機能. 第 2 回 : シンチレーション カウンターの理解,HVカーブの測定. 第 3 回 : タイミング カーブの測定第 4 回 : 寿命測定回路のセットアップ, 寿命データ収集開始 (Al) 第 5 回 :[ データ収集継続 (Al)] UNIX 入門,PAWを用いたμ 粒子寿命測定データの解析法第 6 回 :[ データ収集継続 (Fe)] Z 粒子質量測定法概説,CDF 検出器の概説, Event display,z 粒子の質量第 7 回 :[ データ収集継続 (Fe)] 軽い粒子 (J/ψ) の質量第 8 回 : データ解析とグループ内でのまとめ第 9 回 : 発表 討論第 9 回の一週間後が締め切り 12 月 22 日 ( 金 )

3 授業スライド 予復習時に見たい人は 以下 : 随時 スライドは更新します

4 成績評価に関して 評価 : 出席点 9 点, 成績点 10 点 ( 発表 3 点, レポート 7 点 ) レポート : 手書き ワープロどちらでもよい 自分の言葉でやったことを纏めること 以下は大幅減点の対象とする テキストの丸写し 友達のレポートを丸写し テキスト 授業スライドの図を転用 手書きでよいので 自分で描くこと!

5 素粒子テーマ第 1 回目 素粒子物理概要 μ 粒子寿命測定法概要 測定に使用する機器の説明 信号伝送線 ( 同軸ケーブル ) NIM モジュール ディスクリミネータ (discriminator) ディレイ (delay) スケーラ (scaler) コインシデンス (coincidence) ゲートジェネレータ (gate generator) グループ分け ( グループ 1~4) NIM モジュール, 同軸ケーブルを理解するための実験

6 素粒子物理学とは 物質を細分化していくと何に行き着くか? それ以上分けられない物質は? 物質の究極の構成要素 = 素粒子 水の分子 10-7 cm 原子核 cm クォーク cm クォークは現在知られている最小の物質構成要素. クォークに内部構造はあるのか??? 酸素原子 10-8 cm 陽子 cm 陽子 :uud, 中性子 :udd クォーク同志にどういう力 ( 相互作用 ) が働いているのか?

7 素粒子標準模型 (Standard Model) フェルミオン 半整数スピン (spin1/2), 物質の基本構成要素クォーク カラー荷 (RGB) を持つ ( 強い相互作用をする ) レプトン カラー荷を持たないボゾン 整数スピン (spin0,1, ) ゲージボゾン 相互作用を媒介するヒッグス粒子 素粒子に質量を与えるクォーク u d レプトン c s t b ne nm nt e μ τ +2/3-1/ /2-1/2 +1/2-1/2 強い相互作用 電磁相互作用弱い相互作用 弱い相互作用 電磁相互作用, 弱い相互作用 + 上の粒子の反粒子 電荷 (e) I 3

8 反粒子 全ての粒子に対して 反粒子がある 質量その他の性質が粒子と全く同じで 電荷だけ反対 粒子 u c t +2/3 d s b -1/3 電荷 ν e ν μ ν τ 0 e μ τ -1 反粒子 u c t -2/3 d s b +1/3 電荷 ν e ν μ ν τ 0 e + μ + τ + +1 u d 陽子電荷 +1 u u d u u u d d 中性子電荷 0 d 反陽子電荷 -1 d 反中性子電荷 0

9 力とは何だろう? 重力 電磁気力 電子 原子核 弱い力 強い力 電子 u 中性子 β 崩壊 陽子反ニュートリノ d u ( 現代物理学の理解 ) 物質を構成する粒子の間に働く力は 素粒子によって媒介されている

10 素粒子が力を媒介するって どういうこと? 地面との摩擦がない状況で キャッチボールをすると ボールを投げた反動で ボールと反対方向に動く 運動量 -p 運動量 p 運動量 -p 運動量 p ボールを受け取った反動で ボールと同じ方向に動く

11 素粒子が力を媒介するって どういうこと? 地面との摩擦がない状況で キャッチボールをすると 光子 電磁気力による電子どうしの散乱 電子 電子 ボールを投げた反動で ボールと反対方向に動く 運動量 -p 電子 光子 運動量 p 電子 運動量 -p 電子 光子 電子 運動量 p ボールを受け取った反動で ボールと同じ方向に動く 素粒子物理学では 電子同士の電磁相互作用は 光子をキャッチボールして起こる と理解している

12 素粒子の相互作用と崩壊 相互作用 = ゲージボゾンの交換 -p g p g p ゲージボゾンを介して運動量がやり取りされている. 電子と電子の電磁相互作用のファインマン図

13 ゲージボゾン ( 力を媒介する粒子 ) W + W - Z 0 弱い相互作用を媒介 g g ( ウィークボゾン ) 電磁相互作用を媒介 ( 光子 ) 強い相互作用を媒介 ( グルーオン ) 素粒子ではない例 陽子 (uud), 中性子 (udd) バリオン ( クォーク 3 つで構成 ) π 中間子 : メソン ( クォーク 反クォークで構成 )

14 μ 粒子の崩壊 弱アイソスピン : (I, I 3 ) ne e nm μ Q I /2-1/2-1 時間を逆行する粒子は, 時間を順行する反粒子として見える 運動量以外に電荷, 弱アイソスピンも媒介 W - は,I 3 =-1, Q=-1 を運んでいる (μ - から持ち去った ) と解釈できる. 素粒子の崩壊 素粒子の相互作用の一形態

15 μ 粒子の崩壊と寿命 弱い相互作用の結合定数 (W ボゾンとフェルミオンとの結合定数 ) W ボゾンの質量 この相互作用の確率 ( 崩壊確率 ω) は, 上のパラメータを用いて相対論的量子力学により計算される. 崩壊確率が高い 寿命が短い 崩壊確率が低い 寿命が長い 寿命を測定すると崩壊確率が得られる.

16 崩壊確率と寿命 ω:1 個の μ 粒子が単位時間当たりに崩壊する確率 t=0 で N 0 個存在した μ 粒子の時刻 t での個数を N(t) とすると N(t) の μ 粒子のうち Δt の間に崩壊をおこす数 N(t) N 0 N(t) e -t/τ N 0 /e t=0 において N 0 あった μ 粒子が t 時間経過後いくつになっているか調べればよいが t=0 t=τ t

17 寿命測定原理 1 時刻 t において単位時間あたりに崩壊する μ 粒子の数 ある 1 個の μ 粒子が時刻 t において崩壊する確率 N decay N decay e -t/τ t decay μ 粒子の寿命は, ある μ 粒子を捉えて (t=0), それがいつ崩壊するか (t=t decay ) という時間分布を測定することにより求めることができる.

18 寿命測定原理 2 二次宇宙線の μ 粒子を金属板のストッパーに捉え,t=0 とし, その μ 粒子の崩壊でできた電子 ( 陽電子 ) を観測した時刻を t decay とする. μ 宇宙高エネルギー陽子大気 p π + π - μ - 荷電粒子が通過すると信号を出す検出器 ( シンチレータ ) 突き抜け μ 粒子に対しては,Start はかからない. ストッパー Start 突き抜け Stop

19 NIM モジュールの機能

20 補助単位 k( キロ ) 10 3 M( メガ ) 10 6 G( ギガ ) 10 9 T( テラ ) m( ミリ ) 10-3 μ( マイクロ ) 10-6 n( ナノ ) 10-9 p( ピコ ) 電子の質量 :511 kev (~0.5 MeV) トップクォークの質量 :~170 GeV 光が1mを進む時間 :~3ns 光が1μsの間にすすむ距離は? f( フェムト ) ( テキスト P4 の脚注 )

21 同軸ケーブル 絶縁体 ( 誘電体 ) 外部導体 (GND) オシロスコープでのターミネート 芯線 1m/5ns 20cm/1ns LEMO コネクタ Ω( オープン ) 0Ω( ショート ) 50Ω インピーダンスマッチングを取らないと反射がおこる ( 付録 A を参照のこと ).

22 NIM 信号 NIM 規格 回路モジュールの機械的 電気的仕様 素粒子 原子核実験で主に使用される 論理信号 (ON/OFF, 1/0, T/F) 電流で定義 OFF: ~0mA ON: <-14mA 50Ω ターミネートで見た場合 OFF: ~0mV ON: <-700mV TTL 信号 ( 電圧で定義 ) OFF(Low): <0.8V ON(High): >2.0V 0mV -700mV OFF ON OFF

23 Discriminator ( ディスクリミネータ ) 入力 出力 NIM V th Width 入力インピーダンス 50Ω 設定パラメータ threshold( しきい値 ) 出力パルス幅 出力端子が白線で結ばれている場合は, 内部でつながっている. ( 出力インピーダンスを 50Ω にしたいときなどに使用 )

24 Coincidence ( コインシデンス ) ロジックに参加させるためのスイッチ A 入力 B 入力 VETO 入力 出力 Width VETO 入力がある間は出力が禁止される.

25 Variable Delay Cable による delay 電源不要 Input/Output の区別はない NIM 信号である必要はない スイッチの切り替えで 1~31ns まで 1ns 毎に調節可能 入力 出力 delay

26 Gate Generator (Gate & Delay type) 入力信号からある delay,width をもった NIM ゲートを出力する. Delay,Width の値は調整可能 ダイヤルでレンジを切り替え, このネジで微調整する 入力 出力 width delay

27 Gate Generator (Start/Stop type) Start 入力で開き,Stop 入力で閉じる NIM ゲートを出力する. Width の設定は,LATCH モードにしておく. Start 入力 Stop 入力 NIM 出力 width Width の設定が LATCH 以外では stop 入力よりも先に設定 Width が来るとゲートが閉じられる.

28 Scaler NIM パルスの数を Count Start/Stop/Reset ボタン 8 チャンネル共通動作 桁あふれが起こると Carry out から NIM パルスを出力 Carry out を次のチャンネルへ入力することで桁を増やすことができる.

29 オシロスコープ Trigger 繰り返し波形を見る際に時間軸の基準を与える ( 波形と同期を取る ) トリガーソース : Ch1, Ch2, Ext, Line... トリガーレベル スロープ : ( 立上り +), ( 立下り -) Trigger slope: - Signal source Trigger level Trigger position IN/OUT を持つモジュールの機能を調べたいとき IN Ch1 Ch2 OUT Ch1 Ch2 50Ω ターミネータ T-connector を使って右のように接続し, モジュールへの IN/OUT をオシロスコープの Ch.1/Ch.2 で観察する. Signal source T コネクタ IN OUT

30 同軸ケーブルの長さと減衰長 P9 の実験で 以下を求めてみよう : ケーブルの長さ l(m) 減衰長 λ(m) x(m) のケーブルを通ってきた信号は 100 e x λ % だけ減衰する 信号の振幅がもとの 90% に減衰する長さ x 90% (m)

31 ニュートン祭研究室訪問素粒子実験研究室本日 18:30~

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