[論文レビュー] Super KEKB / Belle II Project

B. Golob|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、2020年までに8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度を達成し、50 ab⁻¹のデータを収集することを目的とした、$e^+e^-$衝突機および検出器系のアップグレードであるSuper KEKB/Belle IIプロジェクトを提示している。アップグレードにより、希少なB中間ボソンの崩壊および$CP$対称性の破れの高精度測定が可能となり、特に電荷を帯びたヒッグスボソンや超対称性モデルを含む標準模型を超える新しい物理現象の感受性が向上する。その実現に寄与するのは、より優れたバーテックス検出、粒子同定、電磁カリメータの性能向上である。

ABSTRACT

We present the status of the KEKB collider and the Belle detector upgrade, along with several examples of physics measurements to be performed with Belle II at Super KEKB.

研究の動機と目的

• B中間ボソンの崩壊における継続的な新しい物理の兆候を解明するため、Bファクトリーの光度とデータ取得能力を著しく向上させること。
• 標準模型を超える物理現象に感受性がある、希少崩壊および$CP$対称性の破れ観測量の高精度測定を可能にすること。
• Belle検出器およびKEKB加速器を、10–20倍高いバックグラウンド率に耐えられ、100 nm未満のビームスポットサイズを達成できるようにアップグレードすること。
• 複数の観測量の相関、例えば$B^0 \to \phi K_S$および$B^0 \to K^{*0} \gamma$における$CP$非対称性の相関を通じて、モデルに依存しない新しい物理の検証を実施すること。
• 50 ab⁻¹のデータで、$\mathcal{B}(B^+ \to \tau^+ \nu)/\mathcal{B}^{\text{SM}}$の比の感受性を0.1未満に高め、$(m_{H^\pm}, \tan\beta)$平面の広い領域をカバーすること。

提案手法

• ビーム発散度を低減し、ビーム電流を増加させることで、KEKB加速器をSuper KEKBにアップグレードし、短いバータ関数（$\beta^* \sim $ 0.27 mm）とクラム・ウェイストコリメーションを用いて$8 \times 10^{34}$ cm⁻²s⁻¹の光度を達成すること。
• 新しい最終焦点四極磁石、新しいビームパイプ、再設計された相互作用領域を導入し、ビームサイズの縮小とダイナミックアパーチャーの向上を図ること。
• 交差角を上方に（83 mrad）し、わずかに減少したビームエネルギーの非対称性を導入することで、Touschek損失を低減し、ビーム寿命を延長すること。
• 高レート環境下でのトラッキングおよびバーテックス再構築を向上させるために、Belle検出器のバーテックスシステムを二層のDEPFETピクセルセンサーに置き換えること。
• 新しい時間飛行計測系と改良されたエアロゲルチェレンコフカウンターを導入し、高運動量領域での$K/\pi$分離性能を向上させることで、粒子同定システムをアップグレードすること。
• 電磁カリメータの電子回路を更新し、振幅-時間測定を可能にすることで、非動作時のバックグラウンドを7倍低減し、Tl-doped CsI結晶を放射線耐性の高い純粋なCsIに置き換える可能性を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 ab⁻¹のデータを用いて、Belle II実験は$B^+ \to \tau^+ \nu$崩壊における電荷を帯びたヒッグスボソンの5σの発見感度に到達できるか？
• RQ2 B^0 \to \phi K_SおよびB^0 \to K^{*0} \gamma崩壊における間接的$CP$対称性の破れの相関は、mSUGRAとSUSY SU(5)モデルの間で競合する新しい物理モデルを区別するのにどの程度有効か？
• RQ3 B \to K^* \ell^+ \ell^-崩壊におけるレプトンの前後方向非対称性は、標準模型と現在の測定値との乖離、特に$C_7$ウィルソン係数の符号反転をどの程度解消できるか？
• RQ4 光度が1000倍に向上した状態で、Belle IIの希少B崩壊における新しい物理の感受性はどの程度期待できるか？
• RQ5 アップグレードされたBelle II検出器は、ビームガスおよび非動作時相互作用に起因するバックグラウンドを抑制しながら、現在の水準から5–10%以内の高効率でガンマ線検出を維持できるか？

主な発見

• Super KEKB加速器は、ピーク光度として$8 \times 10^{34}$ cm⁻²s⁻¹を達成すると予想され、2020年までに50 ab⁻¹のデータ収集が可能となる。また、稼働開始後2年間で5 ab⁻¹のデータ収集が可能になると予想される。
• B \to K^* \ell^+ \ell^-崩壊におけるレプトンの前後方向非対称性の測定は、十分な精度に達し、標準模型と$C_7$ウィルソン係数の符号反転を示す特定の超対称性モデルを区別できる。
• 50 ab⁻¹のデータを用いることで、$\mathcal{B}(B^+ \to \tau^+ \nu)/\mathcal{B}^{\text{SM}}$の比に対する感受性が0.1未満にまで向上し、$(m_{H^\pm}, \tan\beta)$平面の広い領域で電荷を帯びたヒッグスボソンの5σ発見が可能になる。
• B^0 \to \phi K_SおよびB^0 \to K^{*0} \gamma崩壊における$CP$対称性の破れの相関は、質量スペクトルが類似しているにもかかわらず、5 ab⁻¹のデータでmSUGRAとSUSY SU(5)モデルを区別できる。
• アップグレードされた電磁カリメータは、振幅-時間測定により非動作時のビームバックグラウンドを7倍低減し、高いバックグラウンド率下でも現在の水準から5–10%以内のガンマ線検出効率を維持できる。
• 1次トリガーレートは約20 kHzに増加すると予想されるが、新しい電子回路および放射線耐性部品の導入により、全体の検出器の密閉性と性能は向上すると予想される。