[論文レビュー] The Belle II Experiment and SuperKEKB Upgrade

Qingji Wang|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2015

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 10

ひとこと要約

Belle II実験は、Belle/KEKBベータ工場のアップグレードであり、2024年までにΥ(4S)共鳴状態でのe⁺e⁻衝突データを50 ab⁻¹収集することを目的としており、SuperKEKBのナノビーム技術により40倍の高い全有効断面積を達成する。向上した検出器サブシステムにより、直接CP対称性の破れ、軽子フレーバーの破れ、ダークフォトンなど、新しい物理現象を画期的な感度で探査する。

ABSTRACT

The Belle II / SuperKEKB experiment is an $e^+e^-$ collider running at the $Υ(4S)$ resonance energy to produce B meson pairs. As an upgrade of the Belle / KEKB experiment, it will start physics data taking from 2018 and with $\sim 40$ times luminosity, its goal is to accumulate 50 $ab^{-1}$ of $e^+e^-$ collision data. Now the upgrade of the sub-detector systems is on-going in KEK. The physics program has a wide range of areas, including searches for direct CPV, Lepton Flavour Violation and dark matter. In this proceedings, we review the current upgrade status of Belle II and SuperKEKB and introduce some physics opportunities at this facility.

研究の動機と目的

• 全有効断面積と検出器性能の向上により、標準模型を超える新しい物理現象の感度を著しく向上させること。
• 分岐比とCP非対称性の高精度測定を通じて、レアなBおよびD崩壊を研究すること。
• 標準模型で極めて抑制されている軽子フレーバーの破れおよびフレーバー変換を伴う中性荷電粒子の崩壊を探索すること。
• 不可視状態やずれた最終状態を通じて、ダークフォトンや1 GeV未満のダークマターを含むダークセクターを調べること。
• 2024年までに50 ab⁻¹の統合全有効断面積を達成し、CKMユニタリティトライアングルとレア崩壊の精密検証を可能とすること。

提案手法

• ナノビーム焦点化によりビームサイズを小さくすることで、8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹の全有効断面積を達成する非対称e⁺e⁻衝突器であるSuperKEKBを活用する。
• DEPFETおよびDSSDセンサーを用いた新規バーテックス検出器（PXDおよびSVD）を導入し、より高いバーテックス分解能を実現する。
• バーレル部にはTOP（イメージング・タイム・オブ・プロパゲーション）を、前方領域にはアエロゲル放射体とHAPD読み出しを用いた新規粒子識別システムを導入する。
• 再利用された結晶と新しい波形サンプリング電子回路を備えた新規電磁カロリメータ（ECL）を導入し、エネルギーおよび時間分解能を向上させる。
• 前方領域の増加するバックグラウンドに対応するため、RPCの代わりにシンチレーション材を用いた新規KLMシステムを設置する。
• 段階的コンmissionングを実施：段階1（部品の試験）、段階2（テストデータを用いた部分検出器）、段階3（2018年末から全検出器での物理データ取得）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Belle IIは、D⁰ → φγ や D⁰ → ρ⁰γ といったレアな放射性D⁰崩壊における直接CP非対称性の感度はどの程度か？
• RQ2 現在のBaBarの90%信頼区間における2.2×10⁻⁶の上限を超えて、Belle IIはD⁰ → γγの分岐比の上限をどの程度改善できるか？
• RQ3 Belle IIは、軽子フレーバー破れτ崩壊に対してどの程度の感度を有するか。また、過去の実験と比較するとどうか？
• RQ4 Belle IIは、不可視状態やずれた最終状態を通じて、ダークフォトンおよび1 GeV未満のダークマターをどの程度効果的に探索できるか？
• RQ5 LHCbや過去のBファクトリーと比較して、Belle IIはCKMユニタリティトライアングルの精度をどの程度向上できるか？

主な発見

• Belle IIでは、D⁰ → φγにおける直接CP非対称性の感度が1%に達すると予想され、D⁰ → ρ⁰γでは最大で10%に達する。これは、78 fb⁻¹のデータで25%の不確実性を示したBelleの結果を著しく上回る。
• 50 ab⁻¹のデータを用いることで、D⁰ → γγの分岐比の上限は、全有効断面積Lに比例すると約2×10⁻⁸に改善され、√Lに比例すると約2×10⁻⁷に改善される。
• Belle IIは、分岐比が約10⁻⁸までに達する軽子フレーバー破れ崩壊を探索可能であり、BelleおよびBaBarの現在の上限を上回る。
• 50 ab⁻¹のデータセットでは、B̄B対が550億組、τ⁺τ⁻対が470億組、c̄c状態が650億組が収集され、稀で禁止された崩壊の高統計的分析が可能になる。
• TOP、ARICH、ECLを含むアップグレードされた検出器システムは、ビームテストを通過し、データとモンテカルロシミュレーションの間に良好な一致を示し、性能の妥当性が裏付けられた。
• SuperKEKB加速器は、完全なコンMISSIONングのスケジュール通りに進行中であり、2018年末に物理データ取得が開始され、50 ab⁻¹の目標は2024年ごろに達成される見込みである。