Badanie symetrii CPT w układach materia-antymateria

Bibliogr. s. 59-64

W prezentowanej pracy przedstawione są wyniki badań stopnia łamania symetrii CPT w systemach kwark-antykwark oraz lepton-antylepton. Prowadzone pomiary polegają na porównaniu asymetrii ładunkowej w rozpadach półleptonowych π−e+ν i π+e− ¯ν neutralnych mezonów K. Jeśli symetria CPT jest zachowana w tym procesie, to asymetria ładunkowa wyznaczona dla kaonu krótko-życiowego (AS) ma wartość równą asymetrii ładunkowej kaonu długo-życiowego (AL). Dotychczas najdokładniejszy pomiar AL uzyskany został w eksperymencie KTeV: AL = (3.322 ± 0.058stat ± 0.047syst) × 10−3. Pomiar AS przeprowadzony został przez zespół KLOE: AS = (1.5 ± 9.6stat ± 2.9syst) × 10−3 przy użyciu 410 pb−1 danych. Uzyskany wynik zdominowany jest przez niepewność statystyczną. Niniejsza praca prezentuje analizę 1.63 fb−1 danych zebranych detektorem KLOE w latach 2004-2005. Otrzymana wartość wynosi: AS = (−4.9 ± 5.7stat ± 2.6syst) × 10−3 i w połączeniu z poprzednim pomiarem pozwala na uzyskanie najbardziej precyzyjnej wartości tej wielkości na świecie: AS = (−3.8 ± 5.0stat ± 2.6syst) × 10−3. Wyznaczone zostały także parametry opisujące stopień łamania symetrii CPT : Re(x−) = (−2.0 ± 1.4) × 10−3, i Re(y) = (1.7 ± 1.4) × 10−3. Uzyskane wyniki nie wskazują na łamanie symetrii CPT . Druga część pracy skupia się na wykazaniu możliwości użycia detektora J-PET do testu symetrii CPT. Badaną obserwablą jest korelacja między wektorami pędu kwantów gamma pochodzących z anihilacji stanu orto-Pozytonium a wektorem spinu. W tym celu stworzone zostały kompleksowe symulacje komputerowe uwzględniające rozkłady pędów kwantów anihilacyjnych wynikające z przewidywań elektrodynamiki kwantowej oraz własności detektora J-PET. Otrzymane wyniki wskazują na możliwość polepszenia aktualnych parametrów opisujących łamanie symetrii CPT o rząd wielkości. Możliwe to będzie dzięki zastosowaniu w detektorze J-PET scyntylatorów plastikowych, które pozwolą na użycie źródła o wysokiej aktywności. Dodatkowymi atutami są: dobra rozdzielczość kątowa, wysoka dokładność pomiaru czasu oraz zapisywanie wszystkich zebranych zdarzeń, pozwalające na separację fotonów pochodzących z anihilacji stanu orto-Pozytonium i bezpośredniej anihilacji e+e− oraz monitorowanie tła.

In this thesis systems made of quark-antiquark and lepton-antilepton were studied for CPT symmetry violation effects. The first study was preformed in neutral K meson pairs by comparing the asymmetries constructed from the decay rates into the two CP conjugated semileptonic final states, π−e+ν and π+e− ¯ν. If the CPT symmetry holds, then the asymmetry constructed for short-lived kaon (AS) and long-lived kaon (AL) are expected to be identical. At present, the most precise measurement of AL has been performed by the KTeV collaboration: AL = (3.322 ± 0.058stat ± 0.047syst) × 10−3. The measurement of its counterpart is experimentally more difficult since it requires a very pure KS beam which can be realised only by exploiting the entangled neutral kaons pairs produced at a ϕ-factory. The first measurement of AS has been performed by the KLOE collaboration in 2006 using 410 pb−1 of integrated luminosity: AS = (1.5 ± 9.6stat ± 2.9syst) × 10−3, with an accuracy dominated by the statistical uncertainty. The new measurement reported in this thesis is based on a four times larger data sample, corresponding to an integrated luminosity of 1.63 fb−1. The final value AS = (−4.9±5.7stat ±2.6syst)×10−3 improves statistical accuracy by a factor of almost two with respect to the previous KLOE result. The combination of these two measurements gives AS = (−3.8±5.0stat ±2.6syst) ×10−3 and allows to determine the new limits on CPT violating parameters Re(x−) = (−2.0 ± 1.4) × 10−3, and Re(y) = (1.7±1.4) ×10−3. The obtained results are in agreement with CPT invariance and with statistical uncertainty almost a factor of two smaller with respect to the former measurements. The second part of this work comprised a demonstration of the feasibility of using the J-PET detector to test the CPT violation in correlations of momenta of photons originating from ortho-positronium annihilation and the spin of ortho-positronium. For this purpose simulations of the o-Ps formation and its annihilation into three photons were performed taking into account distributions of photons' momenta as predicted by quantum electrodynamics and the response of the J-PET tomograph. The results indicate that the J-PET detector has a realistic chance to improve best present limits established for CPT symmetry violations in decays of positronium by more than an order of magnitude. This can be achieved by the application of plastic scintillators which have superior time resolution and allow to create a setup with high granularity of detection strips and low detection pile-ups, which allows to overcome the limitation on the source activity. In addition, the improved angular resolution combined with the excellent timing, and with the possibility of triggerless registration of all events allow for suppression and monitoring of background events.