[論文レビュー] Super KEKB and Belle II: Status of the KEK Super B Factory

Z. Doležal|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、スーパーケーブ・電子陽電子衝突型加速器およびベールII検出器のアップグレードの設計と現状を提示しており、ナノビーム光学とビーム電流最適化により、KEKBの40倍、8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹の光度を達成することを目的としている。ベールII検出器は、DEPFETピクセルバーテックス検出器、アップグレードされたトラッキングおよびカリメータ、および強化された粒子同定機能を備えており、2020年までに50 ab⁻¹の統合光度でCP対称性の破れやレアなB中間子崩壊の高精度測定を可能にする。

ABSTRACT

The Belle detector at the KEKB electron-positron collider has collected approximately 800 million Upsilon(4S) events in its decade of operation. The KEKB group has proposed Super-KEKB, an upgrade of KEKB to increase the luminosity by two orders of magnitude during a three-year shutdown, with an ultimate goal of 8E35/cm^2/s luminosity. To exploit the increased luminosity, an upgrade of the Belle detector has been proposed. A new international collaboration Belle-II, is being formed, with a broader participation of European institutes. Super-KEKB and Belle-II were officially placed on the KEK 5-year Roadmap in early 2008. The paper presents physics motivation, basic methods of the accelerator upgrade, as well as key improvements of the detector. More details are given on the DEPFET pixel detector that will be completely built in Europe.

研究の動機と目的

• KEKBベータファクトリーの光度を2桁以上向上させ、B中間子崩壊の高統計的解析を可能にする。
• 現在のベータファクトリー実験の限界を克服し、CKM行列要素の測定精度を向上させ、特にユニタリティトライアングルの角度を高精度に測定する。
• 高光度・高バックグラウンド環境に耐えうる次世代検出器（ベールII）の設計を実現する。
• レア崩壊およびB中間子系におけるCP対称性の破れの非対称性に対する感度を向上させ、新物理の発見を可能にする。
• 国際共同研究（ベールII）を確立し、実験および検出器開発におけるグローバルな参加を促進する。

提案手法

• 衝突点における垂直方向のベータ関数を6 mmから0.27/0.42 mmにまで低くすることで、ナノビーム光学を実装し、極端なビームサイズ圧縮を実現する。
• クレブキャビティおよびビーム-ビーム補償を用いて、ビーム-ビームパラメータを向上させ、高電流下でもビーム安定性を維持する。
• 短寿命のB中間子崩壊の再構築において、空間的・エネルギー的分解能を向上させるために、2層のDEPFETピクセルセンサにベールのバーテックス検出器を置き換える。
• 高い占有率と放射線環境に耐えるために、シリコンストリップ検出器に高速なAPV25読み出しチップを統合する。
• 高データレートおよびバックグラウンドに対応するため、パイプラインおよび波形サンプリングを用いた新しいEMカリメータ読み出しシステムを導入する。
• トラッキングシステムにおけるカリウム/パイオンの高精度分離を実現するため、時間伝播（TOP）およびアエロゲルを用いたチェレンコフカウンタを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーケーブ加速器は、ナノビーム光学とビーム電流最適化により、8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹の光度を達成できるか？
• RQ2 デュアルサイドシリコンストリップ検出器と比較して、DEPFETピクセルバーテックス検出器は、インパクトパラメータ分解能をどの程度向上できるか？
• RQ3 統合光度50 ab⁻¹の条件下で予想される極度の放射線および占有率環境において、ベールII検出器は高い性能を維持できるか？
• RQ4 アップグレードされた施設から得られる5 ab⁻¹のデータを用いて、CKM行列要素の角度φ₁、φ₂、φ₃の測定精度はどの程度期待できるか？
• RQ5 スーパーケーブおよびベールIIの感度向上は、レア崩壊およびペンギン支配のB中間子崩壊において、標準模型を超える新物理をどの程度まで探査できるか？

主な発見

• スーパーケーブ加速器は、ピーク光度8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹を達成する設計となっており、現在のKEKB性能の40倍に相当する。
• β*を0.27/0.42 mmに低下させ、ビーム電流を3.6/2.6 Aまで増加させるナノビームオプションが、目標光度に到達するための最良の方法であり、高電流オプションを上回る。
• DEPFETピクセルバーテックス検出器は、元のデュアルサイドシリコンストリップ設計と比較して、インパクトパラメータ分解能を3倍向上させると予想される。
• シミュレーションにより、38×50 μm²ピッチおよび50 μm厚さのDEPFETピクセルは、内在的空間分解能2 μm未満を達成できることが示された。
• 5 ab⁻¹の統合光度を想定した場合、φ₂ = αの精度は2度、sin(2φ₁) = sin(2β)の精度は1%に達すると予想され、理論的不確実性は同等のレベルに保たれる。
• ベールII検出器のアップグレードには、新しいドリフトチェンバー、波形サンプリングを備えたアップグレード済みEMカリメータ、およびエンドキャップ部にゲーリングモードAPDを搭載したシンチレーション材ベースのミューオン系が含まれる。