Bファクトリー

Bファクトリー：物質と反物質の謎に迫る高エネルギー物理学実験

Bファクトリーとは、B中間子という素粒子を大量に生成するための高エネルギー加速器施設、およびそこで行われる実験を指します。この施設では、電子と陽電子を高エネルギーまで加速し、衝突させることで、B中間子とその反粒子である反B中間子を大量に生成します。生成されたB中間子と反B中間子は非常に短寿命であり、すぐに崩壊しますが、その崩壊過程におけるわずかな違いを観測することで、宇宙における物質と反物質の非対称性といった、現代物理学における未解明な謎に迫ることが期待されています。

代表的なBファクトリー実験

Bファクトリー実験として最も有名なものとしては、日本の[高エネルギー加速器研究機構]で行われたKEKB加速器を用いたBelle実験、そしてアメリカのスタンフォード線形加速器センター(SLAC)で行われたPEP-II加速器を用いたBaBar実験が挙げられます。これらの実験では、それぞれBelle測定器、BaBar測定器を用いて、B中間子と反B中間子の崩壊過程を精密に測定しました。Belle実験は2010年、BaBar実験は2008年に運転を終了しましたが、両実験合わせて10億個以上のB中間子・反B中間子対が生成され、膨大なデータが取得されました。

CP対称性の破れと小林・益川理論

Bファクトリー実験の主要な目的のひとつは、CP対称性の破れの精密測定です。CP対称性とは、物質と反物質の間に存在するはずの対称性のことで、この対称性が破れているということは、物質と反物質の性質に違いがあることを意味します。B中間子系においてCP対称性の破れが観測されることは、小林誠氏と益川敏英氏によって提唱された小林・益川理論によって予言されており、Belle実験とBaBar実験は、この理論の正しさを実証する上で重要な役割を果たしました。この功績により、小林氏と益川氏は2008年にノーベル物理学賞を受賞しています。

物質と反物質の非対称性

宇宙を観測すると、物質は存在するのに対し、反物質はほとんど存在しません。この物質と反物質の非対称性は、現代物理学における大きな謎のひとつです。Bファクトリー実験では、B中間子と反B中間子の崩壊過程におけるわずかな違いを精密に測定することで、この物質と反物質の非対称性の起源を解明する手がかりを得ることが期待されています。そのためには、高輝度な加速器と高性能な測定器を用いて、可能な限り多くのB中間子・反B中間子対を生成し、その崩壊過程を詳細に分析する必要があります。

実験手法

Bファクトリー実験では、まず、電子と陽電子を、質量10.58GeVのウプシロン中間子（Υ(4S)）が生成されるエネルギーに加速し衝突させます。Υ(4S)はほとんどの場合、B中間子と反B中間子の対に崩壊するため、この対の崩壊過程を観測することで、CP対称性の破れや物質と反物質の非対称性に関する情報を得ることができます。B中間子の崩壊は非常に速いため、その違いを検出するには、統計的に十分な数のB中間子対を生成する必要があります。そのため、Bファクトリーでは、電子と陽電子のビームを高密度化（バンチング）し、衝突頻度を高める技術が用いられています。さらに、B中間子対の速度差を検出するため、２つのビームエネルギーを非対称にする工夫も凝らされています。

今後の展望

Belle実験とBaBar実験の後継として、SuperBなどの新たなBファクトリー計画も提案されています。これらの計画では、さらに高輝度な加速器と高性能な測定器を用いることで、より精密な測定を行い、物質と反物質の非対称性の起源解明にさらに迫ることが期待されています。

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