[논문 리뷰] Super KEKB and Belle II: Status of the KEK Super B Factory

Z. Doležal|arXiv (Cornell University)|2009. 10. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 슈퍼 KEKB 전자-양전자 충돌기와 벨레 II 검출기 업그레이드의 설계 및 현황을 제시하며, 나노빔 광학과 비드 전류 최적화를 통해 기존 KEKB 대비 40배 높은 8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹의 루미노시티를 달성하고자 한다. 벨레 II 검출기는 DEPFET 픽셀 복합체 검출기, 업그레이드된 트래킹 및 칼로미터, 향상된 입자 식별 기능을 갖추어 2020년까지 누적 루미노시티 50 ab⁻¹에서 CP 위반과 희귀 B-메손 붕괴의 정밀 측정을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• KEKB B-팩토리의 루미노시티를 두 계급 증가시켜 B-메손 붕괴의 고통계 연구를 가능하게 하기 위해.
• 현재 B-팩토리 실험의 한계를 극복하기 위해, 특히 유니타리티 삼각형의 각도를 포함한 CKM 행렬 원소 측정의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 고루미노시티 및 고배경 조건에서도 뛰어난 복합체 및 입자 식별 성능 유지를 유지할 수 있는 차세대 검출기(Belle II) 설계를 위해.
• 희귀 붕괴와 B-메손 시스템 내 CP 위반 비대칭성에 대한 감도를 향상시켜 뉴 피직스의 발견을 가능하게 하기 위해.
• 국제 공동 연구 협력(Belle II)을 구축하여 전 세계의 참여를 장려하고 실험 및 검출기 개발에 기여하기 위해.

제안 방법

• 충돌점에서의 수직 베타 함수를 6 mm에서 0.27/0.42 mm로 감소시켜 나노빔 광학을 구현함으로써 극한의 비드 크기 압축을 실현하기 위해.
• 크랩 컨테이너와 비드-비드 보상 기술을 활용하여 비드-비드 매개변수를 증가시키고, 더 높은 전류에서의 비드 안정성을 확보하기 위해.
• 단일면 실리콘 스트립 검출기에서의 성능을 뛰어넘는 공간 해상도 및 에너지 해상도를 확보하기 위해 벨레의 복합체 검출기를 두 층의 DEPFET 픽셀 센서로 교체하기 위해.
• 고점유율 및 고방사선 수준에 대응하기 위해 실리콘 스트립 검출기의 고속 APV25 읽기 회로 칩을 통합하기 위해.
• 고데이터율과 배경을 관리하기 위해 파이프라인 및 웨이브폼 샘플링 방식을 적용한 전자 칼로미터 신호 읽기 시스템을 도입하기 위해.
• 트래킹 시스템 내에서 고정밀한 카이온/파이온 분리 성능을 확보하기 위해 타임오브프로파게이션(TOP) 및 에어졸 기반 채로니크 컨터를 구현하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노빔 광학과 비드 전류 최적화를 통해 슈퍼 KEKB 충돌기가 8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹의 루미노시티를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이중면 실리콘 스트립 검출기 대비 DEPFET 픽셀 복합체 검출기가 영향 매개변수 해상도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 누적 루미노시티 50 ab⁻¹에서 예상되는 극한의 방사선 및 점유율 조건에서도 벨레 II 검출기가 높은 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 업그레이드된 시설에서 5 ab⁻¹의 데이터로 CKM 행렬 각도 φ₁, φ₂, φ₃ 측정의 기대 정밀도는 얼마인가?
• RQ5 슈퍼 KEKB와 벨레 II의 향상된 감도가 표준모형을 초월한 뉴 피직스를 희귀 및 펜그린 지배 B-메손 붕괴에서 얼마나 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 슈퍼 KEKB 충돌기는 피크 루미노시티 8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹를 달성하도록 설계되었으며, 이는 현재 KEKB 성능 대비 40배 높은 수준이다.
• β*를 0.27/0.42 mm로 감소시키고 비드 전류를 3.6/2.6 A로 증가시킨 나노빔 옵션이 목표 루미노시티를 달성하는 데 가장 유리한 길이며, 고전류 옵션을 초월한다.
• DEPFET 픽셀 복합체 검출기는 원래의 이중면 실리콘 스트립 설계 대비 영향 매개변수 해상도를 약 3배 향상시킬 것으로 예상된다.
• 시뮬레이션 결과, 피치 38×50 μm², 두께 50 μm인 DEPFET 픽셀은 내재 공간 해상도가 2 μm 이하로 달성 가능하다.
• 5 ab⁻¹의 누적 루미노시티에서 φ₂ = α의 정밀도는 약 2도 수준, sin(2φ₁) = sin(2β)의 정밀도는 1% 수준에 도달할 것으로 예상되며, 이론적 불확실성 수준과 유사하다.
• 벨레 II 검출기 업그레이드에는 새로운 드프트 챔버, 웨이브폼 샘플링 기반으로 업그레이드된 전자 칼로미터, 고배경에 강건한 성능을 유지를 위한 엔드캡에서 실리콘 기반 지지형 APD를 사용한 산란체 기반의 뮤온 시스템이 포함되어 있다.