[논문 리뷰] Snowmass 2021 White Paper on Upgrading SuperKEKB with a Polarized Electron Beam: Discovery Potential and Proposed Implementation

A. Accardi, D. M. Asner외 106명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 10.58 GeV의 중심입자 에너지에서 '카이랄 벨레'라고 불리는 새로운 정밀 물리 프로그램을 가능하게 하기 위해 슈퍼케이브에 투과성 전자 빔을 도입하는 것을 제안한다. $e^+e^-$ 최종 상태와 $\tau$ 쌍 붕괴에서의 좌우 비대칭 측정을 통해 $\tau$ 자기모멘트에 대해 $10^{-5}$ 수준의 정밀도를 확보하고, 비대칭성 위반 다크 세터 보손에 대해 $10^{-3}$ 수준의 감도를 확보한다. 빔 편광은 컴프턴 편광계로 실시간 측정하고, 오프라인으로는 $\tau$ 붕괴 운동량 분포를 분석하여 수행한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 10.58 GeV에서 $Z^0$ 피크에서 벗어난 곳에서 전자약력 파rameter, 특히 $\sin^2\theta_W$ 의 정밀 측정을 가능하게 한다.
• SLC와 LEP 측정치 사이의 $A_{LR}^{b}$ 와 $A_{FB}^{b}$ 에 대한 $3\sigma$ 이격을 독립적인 좌우 비대칭 측정을 통해 해결한다.
• 뮤온, 셰이프 쿼크, 바텀 쿼크 간의 중성 전류 보편성에 대해 예상치 못한 정밀도로 테스트한다.
• 40 ab$^{-1}$ 데이터로 $\tau$ 레프톤의 기 anomalous 자기모멘트 $g-2$ 를 $10^{-5}$ 수준에서 측정하여, $10^{-6}$ 스케일의 새로운 물리 현상 탐색을 가능하게 한다.
• 중성 전류 보편성 테스트를 통해 비대칭성 위반 다크 세터 게이지 보손($Z_{\rm dark}$)에 대한 민감한 탐색을 가능하게 한다.

제안 방법

• 슈퍼케이브 고에너지 루프에 횡방향 편광 전자 빔을 공급하기 위해 저입자도 편광 전자 소스를 구현한다.
• 상호작용점(IP) 이전에 전자 빔의 스핀을 횡방향에서 縦방향으로, 이후 다시 횡방향으로 변환하기 위해 스핀 로테이터 마그넷을 사용한다.
• 첫 번째 스핀 로테이터와 IP 사이에 컴프턴 편광계를 설치하여 실시간 빔 편광 측정을 제공한다.
• IP에서 $e^+e^- \to \tau^+\tau^-$ 를 통해 생성된 $\tau^+\tau^-$ 쌍의 스핀 의존 붕괴 운동량 분포를 분석하여 오프라인 빔 편광 측정을 수행한다.
• BMAD 시뮬레이션을 사용하여 스핀 로테이터 시스템을 모델링하고 최적화하며, 디폴드-솔레노이드-쿼드루플렛 병합 기능 마그넷과 직접 wind 마그넷을 포함한다.
• BESIII/BABAR 데이터를 사용하여 $\tau$ 편광계 기법을 검증하고, 빔 편광에 대해 상대 체계적 불확실도 $\pm 0.4\%$ 를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 슈퍼케이브에서 편광 전자 빔을 사용하여 10.58 GeV에서 $\sin^2\theta_W$ 의 정밀도를 LEP/SLC의 세계 평균 수준과 동일하게 확보할 수 있는가?
• RQ2 SLC와 LEP 측정치 사이의 $A_{LR}^{b}$ 와 $A_{FB}^{b}$ 에 대한 $3\sigma$ 이격을 독립적인 좌우 비대칭 측정으로 해결할 수 있는가?
• RQ3 편광 빔을 사용하여 뮤온, 셰이프 쿼크, 바텀 쿼크 간의 중성 전류 보편성 테스트에서 달성 가능한 정밀도는 얼마인가?
• RQ4 40 ab$^{-1}$ 데이터로 $\tau$ 레프톤의 기 anomalous 자기모멘트 $g-2$ 를 $10^{-5}$ 수준에서 측정할 수 있는가?
• RQ5 $\tau$ 쌍 붕괴 운동량 분포를 사용하여 빔 편광을 상대 체계적 불확실도 $\pm 0.4\%$ 이내로 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 편광 빔을 사용할 경우 10.58 GeV에서 $\sin^2\theta_W$ 의 정밀도는 현재 $Z^0$ 피크에서의 세계 평균과 동일하며, 더 낮은 에너지 스케일에서 고정밀 전자약력 물리학을 가능하게 한다.
• 40 ab$^{-1}$ 데이터로 $\tau$ 기 anomalous 자기모멘트 $g-2$ 는 $10^{-5}$ 수준에서 측정 가능하며, 더 많은 데이터와 향상된 $m_\tau$ 및 $M_{\Upsilon(1S)}$ 측정을 통해 $10^{-6}$ 스케일에 접근할 수 있다.
• $\tau^+\tau^-$ 붕괴를 이용한 $\tau$ 편광계 기법은 빔 편광에 대해 상대 체계적 불확도 $\pm 0.003$ 를 달성하며, 이는 70% 편광 빔 기준 $\pm 0.4\%$ 에 해당한다.
• BABAR 데이터 분석 결과, 0.4 ab$^{-1}$ 에서 $\pm 0.0035_{\rm stat} \pm 0.0030_{\rm sys}$ 의 빔 편광 불확실도가 달성 가능하며, 이는 실현 가능성의 증거이다.
• 병합 기능 마그넷을 사용한 스핀 로테이터 설계는 실현 가능하며, 슈퍼케이브 루프의 테이운, 크로마틱시티 및 빔 투과성 최적화가 가능하다.
• 업그레이드에 대한 총 자본 비용은 슈퍼케이브 연간 전력 비용의 절반 이하로 추정되며, 비일본 기관으로부터의 상당한 자금 지원 가능성이 있다.