小林・益川理論の正しさが確認されました
なにげなく見ると、上の絵は左右対称で、絵の左半分を鏡に映すと右半分に重なるような気がするのですが、よくみれば、そうなっていない事がすぐにわかります。この絵は、“Ｂファクトリ”という言葉を想像してもらうきっかけのために描いたものです。Ｂファクトリは何千万ものＢ中間子を作り出す加速器のことで、研究者はそのＢ中間子が崩壊するときの「ＣＰの破れ（非対称性）」を研究しています。
この絵ではＶという字が３行３列に並んでいますが、これはＣＫＭ行列と呼ばれていて、九つのＶは“クォークの間に働く弱い相互作用”の強さを表しています。“素粒子理論の標準模型”によると、これらのＶは特別な関係をもっています。Ｂファクトリ以前の実験データをつかって求めたＣＫＭ行列の値から、Ｂ中間子の崩壊にＣＰの破れがあることを予想することができます。
この形の行列は１９７３年に
小林誠氏(現ＫＥＫ 教授)と 益川敏英氏(現京大基礎物理学研究所長)が最初に提唱しました。１９６４年に発見された中性Ｋ中間子のＣＰの破れが当時唯一のＣＰの破れの実験的な証拠でした。このＣＰの破れを説明する、あまりとっぴでない模型の一部として導入されたのがこの行列です。小林氏と益川氏が提唱したのは「６種類のクォーク」を含むという大胆な模型です。（当時はｕ、ｄ、ｓ三つのクォークしか発見されていませんでした）。その後、残りのｃ、ｂ、ｔクォークが発見され、この模型でＣＰの破れを自然に説明できることから、決定的な実験による裏付けが無いにもかかわらず、小林・益川の説明は「素粒子の標準模型」に組み込まれることになりました。
なぜＣＰの破れが重要なのでしょうか
宇宙の観測から、現在の世界は“物質（陽子、中性子、電子）”から成り立っているということがわかっています。加速器実験では、“反物質（反陽子、反中性子、陽電子）”を生成することができます。反物質は、物質とはほとんど全く同じなのですが、物質と衝突すると、消滅してなくなってしまいます。宇宙の初期には、物質と反物質が同量あったと考えられていますが、それなら、宇宙初期から現在までの間になぜ“物質が優勢”になったかの説明が必要です。物理学者は物質や反物質の基本的な性質が、宇宙の進化のしかたを左右すると考えています。そして、物質優勢の宇宙に達するためには
“ＣＰの破れ”という性質を持つ素粒子が存在する必要があります。つまり、物質と反物質の振る舞いは完全に同じではないのです。
Ｂ中間子の崩壊におけるＣＰの破れの測りかた
“標準模型”を仮定すると、過去の実験データからＣＫＭ行列のおよその値を知ることができます。さらに、Ｂ中間子におけるＣＰの破れの強さや観測への現れ方が予測できます。実験的には、まず“標準模型”が本当に正しいのかをしらべ、もし予想が間違っていたならばその原因を知ることが重要で、私たちの実験装置はそのための十分な性能を持つよう設計されました。
今回発表された研究は、中性Ｂ中間子（B0）と反中性Ｂ中間子（反B0）の崩壊における時間分布の差です。その崩壊時間は１ピコ秒（１／１００００００００００００秒）と非常に短く直接時間を計る方法はありません。そのかわり、これらの粒子を高速度で走らせてその生成から崩壊までの距離を測ります。“時間＝距離／速度”ですよね。B0と反B0は電子と陽電子を衝突させて作るのですが、まずウプシロン４Ｓ（“Υ（４Ｓ）”）というｂクォークと反ｂクオークからなる素粒子を生成するよう電子・陽電子のエネルギーを調整します。ウプシロン４Ｓは直ちに中性Ｂ中間子と反中性Ｂ中間子に崩壊します。電子と陽電子の衝突のエネルギーにアンバランスがあると、ウプシロン４Ｓも、最後のB0と反B0も空間をうごくことになり、時間の測定が可能になります。
特筆すべき点は、ウプシロン４Ｓから生成したB0と反B0は勝手に振舞う二つの粒子ではなく、量子力学的に結びついた“コヒーレントな量子状態”にあることです（“シュレーディンガーの猫”や“原子トラップの単一モードにある複数の原子”のようなもの）。二つのＢ中間子は量子力学的ないくつかの“状態”の重ね合わせとして生成され、時間発展をしてゆきます。そして二つのＢ中間子のうち片方が崩壊して初めて他方のＢ中間子の状態が決定されます。私たちの実験では、こうした現象もきちんと測定されていますが、それは二つのＢ中間子が崩壊する時間を測定することができたからです。
今回発表された研究ではＣＰの破れ（非対称性）は次のように測定します。片方のB0が、B0と反B0のどちらからも崩壊できる様式で崩壊したときに、他方がB0か反B0であるかはっきりわかる様式の崩壊をする場合を選び出し、B0である場合と反B0である場合の崩壊時間の差（Δｔ）の分布を調べます。ここで、Δｔの区間ごとに
（反B0である場合）−（B0である場合）
非対称度＝―――――――――――――――――――
（反B0である場合）＋（B0である場合）
を計算すると、非対称度はΔｔにしたがって振動することが知られています。その振幅が、「ＣＰの破れ」の大きさを示します。
ＣＰの破れの測定結果
Ｂｅｌｌｅの測定結果を以下の図に示します。中性Ｂ中間子系でのＣＰの破れの度合いはsin2Φ１＝０．９９±０．１４±０．０６（ここで、±０．１４は実験データのばらつきから推定される統計誤差、±０．０６は実験装置や解析方法の不定性から推定される系統誤差を示します）と非常に大きく観測されました。この結果は小林益川理論を支持しています。ただ、詳細についての結論がすべて出たのではなく、調べるべき項目ははたくさん残されています。クォークパラメータのどこが起源でＣＰの破れが起こっているか？他のいろいろな測定結果がすべて今回の測定結果と一致するか？さらに、ＣＰの破れを引き起こす未知の「力」があるか？こうした疑問に答えるためには、Ｂファクトリでさらに大量のデータを蓄積してゆくことが必要です。
――――――――――以下は図の説明です―――――――――――――――――――――――――――――――
実験データ１。「B0と反B0のどちらからも崩壊できる様式」は大別して２種類あり、非対称度は反対に見えます（赤と青）。赤のデータと青のデータが大きくずれていることでもB0のＣＰ非対称度が非常に大きいことが推察できます。
実験データ２。上の実験データから「非対称度」を計算したもの、（a）はすべてのデータを用いたもの。この振幅からＣＰの破れの度合いをsin2Φ１＝０．９９±０．１４±０．０６と推定しました。ここで、±０．１４は実験データのばらつきから推定される統計誤差で、±０．０６は実験装置や解析方法の不定性から推定される系統誤差です。（ｂ）と（ｃ）は非対称度の性質でデータを分けたもので（ｂ）は第一のグループ（ｃ）は、反対の非対称度を持つグループです。（ｄ）は「ＣＰと関係の無い状態をあつめたもの」です。ここで非対称度が見えないことは、実験方法が間違ってないことを示唆します。
ＣＰ非保存の測定に用いられた反応の例
ＣＰ非保存の測定の
崩壊反応のアニメーション
