[論文レビュー] Searches for New Physics at the Belle II Experiment

Qingji Wang|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、50 ab⁻¹ の e⁺e⁻ 衝突データを収集することを目的とした、SuperKEKB における Belle II 実験を提示する。これは前身の実験と比較して40倍のデータ量であり、標準模型の高精度な検証および新物理の探索を可能にする。高い光度と高度な検出器システムを活用して、希少な B decay、電荷付きヒッグス、軽レプトンのフラバー違反、直接 CP 違反、ダークセクター粒子といった重要な新物理現象を対象としている。

ABSTRACT

The Belle II experiment at the SuperKEKB collider is an upgrade of the Belle / KEKB experiment. It will start physics data taking from 2018 and with $40$ times luminosity, its goal is to accumulate 50 $ab^{-1}$ of $e^+e^-$ collision data. The physics programs have a wide range of areas for new physics, such as more constraints on CKM Unitarity Triangle, searching for charged Higgs, direct CPV, Lepton Flavour Violation and dark matter.In this monograph, we will review the current status of Belle II and SuperKEKB construction and introduce the main physics opportunities at this facility.

研究の動機と目的

• 50 ab⁻¹ の e⁺e⁻ 衝突データを用いて、標準模型の CKM ユニタリティトライアングルの高精度な検証を可能にする。
• 軽レプトンのフラバー違反や電荷付きヒッグス崩壊のような希少でフラバー変換を伴う過程を通じて、標準模型を超える物理の探索を目的とする。
• 高い統計的精度で異なる電荷固有状態間の CP 違反の差を測定することにより、B→Kπ 崩壊における直接 CP 違反の感受性を向上させる。
• 非可視状態およびずれた最終状態を介して、ダークフォトンおよび 1 GeV 未満のダークマターの探索を通じてダークセクターを調査する。
• 光度を40倍に向上させた Belle 検出器および SuperKEKB コライダーの大幅なアップグレードを通じて、これらの目的を達成する。

提案手法

• 設計光度 8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹ の非対称 e⁺e⁻ コライダーである SuperKEKB を使用し、KEKB と比較して40倍高い光度を達成する。
• アップグレードされた部品を備えた新しい検出器システムを実装する：ボージャー検出器（PXD/SVD）、より大きなドリフトチェンバー、新しい PID システム（TOP および ARICH）、改善された ECL カロリメータ、アップグレードされた KLM システム。
• 光度の増加に伴う高レートのバックグラウンドに対応するため、高度なトリガー、DAQ、ソフトウェアシステムを適用する。
• 異なる電荷固有状態間の和則関係を用いて、B→Kπ 崩壊における CP 違反を測定し、新物理の寄与を検証する。
• 高統計的データを用いて、軽レプトンのフラバー違反 τ 崩壊を探索し、分岐比の測定を約 10⁻⁸–10⁻⁹ まで可能にする。
• レプトン的崩壊を通じてダークフォトン（A′）の探索と、非可視崩壊を通じて 1 GeV 未満のダークマターの探索を実施し、高い光度と低バックグラウンド環境を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Belle II の 50 ab⁻¹ のデータを用いて、CKM ユニタリティトライアングルを 1% 未満の精度で制約できるか？
• RQ2 B⁰→K⁰π⁰γ 崩壊における測定された CP 違反が、さまざまな supersymmetric モデルを区別できるか？
• RQ3 標準模型の予測を超えて、B⁺→τ⁺ν および B→D(*)τν 崩壊の分岐比に新物理の兆候が見られるか？
• RQ4 B→Kπ 終状態における測定された CP 違反の差が、標準模型の予測から逸脱しているか、新物理の兆候を示唆するか？
• RQ5 Belle II はダークフォトン生成に対して競争的な上限を設定できるか、あるいは非可視状態のタウレプトン崩壊を検出でき、ダークセクターを探査できるか？

主な発見

• 50 ab⁻¹ のデータを用いることで、Belle II は現在の測定値と比較して、CKM ユニタリティトライアングルの精度を1桁以上向上させると予想される。
• B⁰→K⁰π⁰γ 崩壊における CP 違反の予測される感受性により、さまざまな SUSY モデルの区別が可能になると予想され、期待される精度は約 0.005–0.01 に達する。
• 電荷付きヒッグスの交換によって引き起こされる B⁺→τ⁺ν および B→D(*)τν 崩壊の分岐比の増大は、分岐比が約 10⁻⁴ を超える場合に 5σ 以上の有意性で検出可能であると予想される。
• B→Kπ モードにおける直接 CP 違反の測定精度は約 0.005–0.01 に達し、標準模型の予測の検証および新物理の兆候を感受するための感受性が高まる。
• Belle II は分岐比が約 10⁻⁸–10⁻⁹ まで達する軽レプトンのフラバー違反 τ 崩壊の感受性を達成すると予想され、過去の実験を上回る。
• ダークフォトン生成に対しては、MeV–GeV 範囲の A′ の質量において、感度が約 10⁻⁸–10⁻⁹ に達する競争的な上限を設定できると予想され、同質量領域の既存の上限を上回る。