[論文レビュー] Snowmass 2021 White Paper on Upgrading SuperKEKB with a Polarized Electron Beam: Discovery Potential and Proposed Implementation

A. Accardi, D. M. Asner+106 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、10.58 GeVの中心系エネルギーにおける新しい精度物理プログラム「Chiral Belle」を可能にするために、偏光電子ビームを搭載したSuperKEKBのアップグレードを提案している。$e^+e^-$最終状態および$\tau$対崩壊における左-右非対称性を測定することで、$\tau$磁気モーメントの$10^{-5}$レベルの精度と、パリティ破れを示すダークセクターのボソンに対する$10^{-3}$レベルの感度を達成する。ビーム偏光はコンプトン偏光計でオンライン測定され、オフラインでは$\tau$崩壊の運動学的特性を用いて測定される。

ABSTRACT

Upgrading the SuperKEKB electron-positron collider with polarized electron beams opens a new program of precision physics at a center-of-mass energy of 10.58 GeV. This white paper describes the physics potential of this `Chiral Belle' program. It includes projections for precision measurements of $\sin^2θ_W$ that can be obtained from independent left-right asymmetry measurements of $e^+e^-$ transitions to pairs of electrons, muons, taus, charm and b-quarks. The $\sin^2θ_W$ precision obtainable at SuperKEKB will match that of the LEP/SLC world average, but at the centre-of-mass energy of 10.58 GeV. Measurements of the couplings for muons, charm, and $b$-quarks will be substantially improved and the existing $3σ$ discrepancy between the SLC $A_{LR}$ and LEP $A_{FB}^b$ measurements will be addressed. Precision measurements of neutral current universality will be more than an order of magnitude more precise than currently available. As the energy scale is well away from the $Z^0$-pole, the precision measurements will have sensitivity to the presence of a parity-violating dark sector gauge boson, $Z_{ m dark}$. The program also enables the measurement of the anomalous magnetic moment $g-2$ form factor of the $τ$ to be made at an unprecedented level of precision. A precision of $10^{-5}$ level is accessible with 40~ab$^{-1}$ and with more data it would start to approach the $10^{-6}$ level. This technique would provide the most precise information from the third generation about potential new physics explanations of the muon $g-2$ $4σ$ anomaly. Additional $τ$ and QCD physics programs enabled or enhanced with having polarized electron beams are also discussed in this White Paper. This paper includes a summary of the path forward in R&D and next steps required to implement this upgrade and access its exciting discovery potential.

研究の動機と目的

• 10.58 GeVという$Z^0$ピークから離れたエネルギーで、電弱パラメータ、特に$\sin^2\theta_W$の精度測定を可能にする。
• SLCとLEPによる$A_{LR}^{b}$および$A_{FB}^{b}$の測定値間に存在する$3\sigma$の不一致を、独立した左-右非対称性測定によって解消する。
• ミューオン、 charm クォーク、および bottom クォークにおける中性荷電現在の普遍性を、前例のない精度で検証する。
• 40 ab$^{-1}$のデータで$\tau$レプトンの異常磁気モーメント$g-2$を$10^{-5}$レベルで測定し、$10^{-6}$スケールでの新しい物理を探索する。
• 中性荷電現在の普遍性のテストを通じて、パリティ破れを示すダークセクターのゲージボソン（$Z_{\rm dark}$）に対する感受性の高い探索を可能にする。

提案手法

• SuperKEKBの高エネルギー環に横方向に偏光した電子を供給する低発散度の偏光電子源を実装する。
• 相互作用点（IP）の直前で電子ビームのスピンを横方向から縦方向へ回転させ、その後再び横方向へ戻すためにスピン回転磁石を設置する。
• 最初のスピン回転磁石とIPの間にコンプトン偏光計を設置し、ビーム偏光をオンラインで測定する。
• IPで$e^+e^- \to \tau^+\tau^-$から生成された$\tau^+\tau^-$対のスピン依存性のある崩壊運動学的特性を分析することで、オフラインでのビーム偏光測定を実施する。
• BMADシミュレーションを用いてスピン回転器系をモデル化・最適化し、ダイポール-ソレノイド-クアッドロールの複合磁場素子および直接巻き線磁石を含む。
• BESIII/BABARのデータを用いて$\tau$偏光計測技術を検証し、ビーム偏光の相対的系統誤差を$\pm 0.4\%$まで抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SuperKEKBにおける偏光電子ビームを用いることで、$Z^0$ピークからの世界平均と同等の$\sin^2\theta_W$の精度を10.58 GeVで達成できるか？
• RQ2 SLCとLEPによる$A_{LR}^{b}$および$A_{FB}^{b}$の測定値間に存在する$3\sigma$の不一致を、独立した左-右非対称性測定によって解消できるか？
• RQ3 偏光ビームを用いた場合、ミューオン、 charm クォーク、および bottom クォークにおける中性荷電現在の普遍性の検証で達成可能な精度はどの程度か？
• RQ4 40 ab$^{-1}$のデータで$\tau$レプトンの異常磁気モーメント$g-2$を$10^{-5}$レベルで測定できるか？
• RQ5 $\tau$対崩壊の運動学的特性を用いて、ビーム偏光を相対的系統誤差$\pm 0.4\%$で測定できるか？

主な発見

• 偏光ビームを用いた10.58 GeVにおける$\sin^2\theta_W$の精度は、現在の$Z^0$ピークからの世界平均と同等であり、低エネルギースケールでの高精度電弱物理学を可能にする。
• 40 ab$^{-1}$のデータで、$\tau$の異常磁気モーメント$g-2$は$10^{-5}$レベルで測定可能であり、さらなるデータと$m_\tau$および$M_{\Upsilon(1S)}$の測定の改善により、$10^{-6}$スケールに近づける。
• $\tau^+\tau^-$崩壊を用いた$\tau$偏光計測技術は、ビーム偏光の相対的系統誤差を$\pm 0.003$まで達成でき、70%偏光のビームでは$\pm 0.4\%$に対応する。
• BABARデータ解析から、0.4 ab$^{-1}$のデータで$\pm 0.0035_{\rm stat} \pm 0.0030_{\rm sys}$のビーム偏光不確実性が達成可能であることが示され、実現可能性が裏付けられた。
• 複合磁場素子を用いたスピン回転器設計は実現可能であり、SuperKEKBのリズム、色散、ビーム透過性の最適化が可能である。
• アップグレードにかかる総資本費用は、SuperKEKBの年間電力コストの半分未満で推定され、非日本グループからの資金提供の可能性が著しく高い。