[논문 리뷰] Super KEKB / Belle II Project

B. Golob|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 22.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 2020년까지 8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹의 루미너시를 달성하고 50 ab⁻¹의 데이터를 수집하도록 설계된 업그레이드된 $e^+e^-$ 콘서트와 검출기 시스템인 슈퍼 킷부/벨레 II 프로젝트를 제시한다. 업그레이드된 시스템은 희귀 B 메손 붕괴와 $CP$ 위반의 정밀 측정을 가능하게 하며, 정점 추적, 입자 식별, 전자기 칼로리메터 성능 향상으로 인해 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상, 예를 들어 초전하 보손과 초대칭 모델에 대한 민감도를 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• B 메손 붕괴에서 지속적인 새로운 물리 현상의 신호를 해결하기 위해 B 패밀리의 루미너시와 데이터 수집 능력을 크게 향상시키기 위해.
• 표준모형을 초월한 물리 현상에 민감한 희귀 붕괴와 $CP$ 위반 관측량의 정밀 측정을 가능하게 하기 위해.
• 빔 스트립의 10–20배 높은 배경률을 처리하고, 100 nm 이하의 빔 스트립 크기를 달성하기 위해 벨레 검출기와 KEKB 가속기를 업그레이드하기 위해.
• 다양한 관측량 간의 상관관계, 예를 들어 $B^0 \to \phi K_S$와 $B^0 \to K^{*0} \gamma$에서의 $CP$ 비대칭성과 같은 방법으로 모델에 의존하지 않는 새로운 물리 현상의 검증을 수행하기 위해.
• 50 ab⁻¹의 데이터로 $\mathcal{B}(B^+ \to \tau^+ \nu)/\mathcal{B}^{\text{SM}}$ 비율의 민감도를 0.1 이하로 확보하여 $(m_{H^\pm}, \tan\beta)$ 평면의 넓은 영역에서 초전하 보손의 다섯 시그마 발견 가능성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 빔의 굴절률을 줄이고 빔 전류를 증가시켜 KEKB 콘서트를 슈퍼 킷부로 업그레이드하여, 짧은 베타 함수($\beta^* \sim 0.27$ mm)와 크랩-웨이스트 콘덴세이션을 통해 $8 \times 10^{34}$ cm⁻²s⁻¹의 루미너시를 달성하기 위해.
• 빔 크기 감소와 동적 개구역 향상을 위해 새로운 최종 집중 큐브렛, 새로운 빔 파이프, 재설계된 상호작용 영역을 설치하기 위해.
• Touschek 손실을 완화하고 빔 수명을 연장하기 위해 교차 각도를 높이고(83 mrad), 빔 에너지 비대칭을 略도 감소시키기 위해.
• 고속 환경에서의 트래킹과 정점 재구성 성능 향상을 위해 벨레 검출기의 정점 시스템을 두 층의 DEPFET 픽셀 센서로 교체하기 위해.
• 고속도에서의 $K/\pi$ 분리 성능 향상을 위해 새로운 시간 간격 측정 시스템과 업그레이드된 에어졸 콘덴세이션 칼로리메터를 도입하기 위해.
• 오프타임 배경 감소를 위해 전자기 칼로리메터 전자기 회로를 교체하여 진폭-시간 측정을 가능하게 하며, 방사선에 강한 순수한 CsI 결정로 Tl Dopant가 있는 CsI 결정을 교체할 계획이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벨레 II 실험은 50 ab⁻¹의 데이터로 $B^+ \to \tau^+ \nu$ 붕괴에서 초전하 보손의 다섯 시그마 발견 가능성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 B^0 \to \phi K_S와 B^0 \to K^{*0} \gamma 붕괴에서의 간접적 $CP$ 위반 간 상관관계는 mSUGRA와 SUSY SU(5) 모델 간의 경쟁 모델을 어떻게 구분할 수 있는가?
• RQ3 B \to K^* \ell^+ \ell^- 붕괴에서의 레프톤 전방-후방 비대칭성은 표준모형과 현재 측정치 간의 괴리, 특히 $C_7$ 윌슨 계수에서의 차이를 어느 정도 해결할 수 있는가?
• RQ4 루미너시가 1000배 증가하고 검출기 성능이 향상된 조건에서, 벨레 II는 희귀 B 붕괴에서 새로운 물리 현상에 대해 어느 정도 민감도를 확보할 수 있는가?
• RQ5 업그레이드된 벨레 II 검출기는 빔-가스 및 오프타임 상호작용에서 발생하는 배경을 억제하면서도 현재 수준의 5–10% 이내의 고감도 광자 탐지 효율을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 슈퍼 킷부 콘서트는 피크 루미너시가 $8 \times 10^{34}$ cm⁻²s⁻¹에 도달할 것으로 예상되며, 2020년까지 50 ab⁻¹의 데이터를 확보할 수 있고, 운영 2년 내에 5 ab⁻¹의 데이터 확보가 가능할 것으로 예상된다.
• B \to K^* \ell^+ \ell^- 붕괴에서의 레프톤 전방-후방 비대칭성 측정은 표준모형과 $C_7$ 윌슨 계수가 반전된 모델(특정 초대칭 모델 포함)을 구분할 수 있을 정도의 정밀도를 확보할 것으로 예상된다.
• 50 ab⁻¹의 데이터로 $\mathcal{B}(B^+ \to \tau^+ \nu)/\mathcal{B}^{\text{SM}}$ 비율의 민감도가 0.1 이하로 향상되어, $(m_{H^\pm}, \tan\beta)$ 평면의 넓은 영역에서 초전하 보손의 다섯 시그마 발견이 가능할 것으로 기대된다.
• B^0 \to \phi K_S와 B^0 \to K^{*0} \gamma 붕괴에서의 $CP$ 위반 간 상관관계는 유사한 질량 스펙트럼을 가진 mSUGRA와 SUSY SU(5) 모델을 5 ab⁻¹의 데이터로도 구분할 수 있다.
• 업그레이드된 전자기 칼로리메터는 진폭-시간 측정을 통해 오프타임 빔 배경을 7배 감소시키며, 더 높은 배경률에도 불구하고 현재 수준의 5–10% 이내의 광자 탐지 효율을 유지할 것으로 기대된다.
• 1단계 트리거 레이트는 약 20 kHz로 증가할 것으로 예상되지만, 새로운 전자기 회로와 방사선에 강한 구성 요소 덕분에 전체 검출기의 밀폐성과 성능이 향상될 것으로 예상된다.