[論文レビュー] Report of Snowmass 2001 Working Group E2 : Electron-positron Colliders from the $ϕ$ to the Z

Z. Zhao, G. Eigen+41 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2002

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 4

ひとこと要約

2001年のスノーマス報告書は、φからZエネルギーダイナミクスの範囲における電子-陽電子衝突機を評価し、Bおよび charm ファクトリー（KEKB/Belle、PEP-II/BaBar、CLEO-c）、φファクトリーのDAΦNE、および将来の提案であるSuperKEK、SuperB、TESLAベースのZファクトリーを含む。高出力e⁺e⁻衝突機は、とりわけレアB崩壊やCP対称性の破れにおいて補完的な精度を提供すると結論づけているが、高出力でLHCbなどのハドロン衝突機との競合が予想される。

ABSTRACT

We report on the status and plans of experiments now running or proposed for electron-positron colliders at energies between the $ϕ$ and the Z. The $e^{+}e^{-}$ B and charm factories we considered were PEP-II/BABAR, KEKB/Belle, superKEK, SuperBABAR, and CESR-c/CLEO-c. We reviewed the programs at the $ϕ$ factory at Frascati and the proposed PEP-N facility at Stanford Linear Accelerator Center. We studied the prospects for B physics with a dedicated linear collider Z factory, associated with the TESLA high energy linear collider. In all cases, we compared the physics reach of these facilities with that of alternative experiments at hadron colliders or fixed target facilities.

研究の動機と目的

• φからZボソンエネルギーの間で動作する既存および計画中のe⁺e⁻衝突機の物理学的潜在能力を評価すること。
• ハドロン衝突機（例：LHCb、BTeV）および固定標的に基づく実験と比較して、e⁺e⁻衝突機のフレーバー物理学およびレア崩壊における物理学的到達範囲を評価すること。
• 将来の高出力e⁺e⁻施設（SuperKEK、SuperB、および専用Zファクトリーを含む）の実現可能性と科学的影響を評価すること。
• e⁺e⁻衝突機が標準模型のフレーバー系におけるハドロン衝突機とどのように補完的かを特定すること。
• 将来の高出力e⁺e⁻施設の検出器および加速器設計に関する研究開発のロードマップを提示すること。

提案手法

• DAΦNE（φファクトリー）、PEP-II/BaBar、KEKB/Belle、CESR-c/CLEO-cの既存施設の物理学プログラムを分析する。
• Bファクトリー（例：BaBar）の出力スケーリングを用いて、SuperKEKやSuperBなどのアップグレード施設が10³⁶ cm⁻²s⁻¹で動作する場合の性能を予測する。
• 高出力における検出器性能とバックグラウンドレートを比較し、検出器アップグレードの実現可能性を評価する。
• 特にSuperBにおける連続的インジェクションに起因する機器バックグラウンドをモデル化し、取り扱いやすさを評価する。
• 予想される出力および検出器効率を用いて、レアB崩壊、CP対称性の破れ、V_ub測定の物理学的到達範囲をシミュレートする。
• 将来のTESLAベースのZファクトリーが、精度の高いB物理学を実現する上でハドロン衝突機実験と比較して果たす役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10³⁶ cm⁻²s⁻¹の出力で動作するアップグレードBファクトリー（SuperKEKおよびSuperB）は、レアB崩壊およびCP対称性の破れの分野でどの程度の物理学的到達範囲を有するか？
• RQ2 ハドロン衝突機（例：LHCb、BTeV）と比較して、e⁺e⁻衝突機のB物理学の観測量に対する物理学的潜在能力はいかがなものか？
• RQ3 特にSuperBにおいて、10³⁶ cm⁻²s⁻¹の出力で検出器を運用するにあたり、技術的課題と実現可能性は何か？
• RQ4 将来の線形衝突機（例：TESLA）に基づく専用Zファクトリーは、ハドロン衝突機の測定と補完的になる精度測定を提供できるか？
• RQ5 固定標的に基づく実験と比較して、e⁺e⁻衝突機は非摂動的QCD、charm物理学、およびレアK中間子崩壊の探査において果たす役割は何か？

主な発見

• フェラチのDAΦNE（φファクトリー）は2.5×10³¹ cm⁻²s⁻¹の出力を達成し、5×10³² cm⁻²s⁻¹の設計値に近づいた。2001年末までに200 pb⁻¹の統合出力が得られ、有意義な物理学が可能になる。
• DAΦNEのKLOE実験は、ε′/εを2×10⁻⁴の精度で測定することを目的としており、5000 pb⁻¹の出力が必要である。これは直接CP対称性の破れを調べるが、理論的不確実性が精度抽出を制限している。
• SuperKEKおよびSuperBは10³⁶ cm⁻²s⁻¹で動作することを計画しており、PEP-II/BaBarおよびKEKB/Belleと比較して300倍の出力向上が見込まれる。これにより、レアB崩壊の高統計的分析が可能になる。
• 10³⁵ cm⁻²s⁻¹の出力で、e⁺e⁻ BファクトリーはLHCb/BTeVなどのハドロン衝突機に対して、ほとんどのB物理学の観測量では競争不能となるが、ニュートリノを含む崩壊では依然として優位性を保つ。
• SuperBは、LHCbとレアB崩壊の分野で補完的となり、π⁰およびγ最終状態では競争力を持つが、BₛおよびΛ_b物理学では、時間分解能の低さと共鳴状態生成の欠如により制限を受ける。
• 将来の線形衝突機（例：TESLA）に基づく専用Zファクトリーは、フレーバー系の精密なプローブとして提案されているが、完全な評価のためにはさらなる開発とバックグラウンドモデリングが必要である。