中性K中間子(K0)はダウンクォークとストレンジ反クォークからなるメソンで、ふつうは短寿命(KS)と長寿命(KL)という2種類の状態に分かれます。1964年、ブルックヘブン国立研究所のビームを使ったクローニンとフィッチの実験は、長寿命状態KLでも2個のπ中間子に壊れる過程がわずかに起きることを検出しました。これは電荷共役(C)とパリティ(P)を同時に適用すると物理法則が変わらないというCP対称性が完全ではないことを意味します。CPの破れが存在すると、物質と反物質の振る舞いに差が生じ、ビッグバン後に物質が優勢になった理由を説明する手がかりになります。さらに、この結果は後に標準模型に導入されたCKM行列の複素位相の存在を後押ししました。現在の大型加速器ではB中間子やD中間子でもCP非保存が測定され、クローニンとフィッチの発見が広い範囲で確かめられています。したがって、この研究は素粒子物理だけでなく、宇宙の歴史を理解するうえでも大きな意義を持っています。

中性K中間子系はクォーク混合と弱相互作用が顕著に現れる理想的な研究対象である。K0 (dŝ) と\u0304K0 (sđ) は弱相互作用を通じて混合し、CP固有状態KSとKLに対角化されるが、CPが厳密であればKS→2π、KL→3πとなるはずである。クローニンとフィッチは、KLビーム中に2π崩壊シグナルが約1/500の確率で存在することを発見し、ε≈2.3×10⁻³というCP非保存パラメータを導いた。測定にはスパークチェンバーと鉛ガラスチェンバーを組み合わせ、π⁺π⁻の飛跡とエネルギーを精密に再構成した。理論的にはΔS=2ボックス図におけるトップクォークの寄与がCKM行列の複素位相と結合し、間接CP非保存を生じる。1999年のKTeVとNA48実験は直接CP非保存(ε′)を測定し、標準模型と整合する結果を与えた。CP非保存はサハロフ条件の一つであり、この研究は宇宙初期のバリオジェネシス理論の礎を築いた。さらに、K0-\u0304K0混合はニュートリノ振動やB0-\u0304B0混合など他のフレーバー物理の原型となり、新物理探索の感度向上に寄与している。

ブルックヘブンAGSの30 GeV陽子衝突で生成された二次Kビームを6°取り出し、300 mの飛行距離で残存するKLを選択した後、スパークチェンバーでπ⁺π⁻崩壊頂点を同定し、鉛ガラスカロリメータでエネルギーを測定した。観測されたKL→π⁺π⁻事象は一貫したρ、φ分布を示し、バックグラウンドとなるΛ→pπ⁻や散乱事象を統計的に除去した結果、Γ(KL→ππ)/Γ全=(2.0±0.3)×10⁻³を確定し、|ε|≈2.3×10⁻³を導出した。Δm≈3.5×10⁻¹² MeV/c²のK0-\u0304K0質量差と相乗して時間依存CP非保存振動が示唆され、CKM行列のJarlskog不変量J≠0が必須条件となった。NA31, KTeV, NA48によりε′=(1.65±0.26)×10⁻³が確立し、ΔI=1/2則の破れと対比して直接・間接CP非保存のダイナミクスが定量化された。現在のLattice QCDはRe(ε′/ε)の第一原理評価を進め、新物理寄与(Z′、レプトクォーク、SUSY)の余地を数×10⁻⁴オーダーに抑制している。クローニン=フィッチの技術はフレーバータギングと時間依存CP非対称解析の雛形となり、Belle IIやLHCbのφ_s, sin2β測定に直結する。さらに、KOTOのKL→π⁰νν̄探索やREDTOPのη→ππチャネルなど希少崩壊によるCP非保存研究にも技術的レガシーを残している。