[논문 리뷰] The Belle II Experiment and SuperKEKB Upgrade

Qingji Wang|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 30.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers인용 수 10

한 줄 요약

Belle II 실험은 Belle/KEKB B 패러티클 패킷의 업그레이드로, 2024년까지 Υ(4S) 공진 상태에서 e⁺e⁻ 충돌 데이터 50 ab⁻¹를 수집하며, SuperKEKB의 나노빔 기술을 통해 40배 높은 루미노시티를 달성한다. 향상된 검출기 서브시스템을 통해 직접 CP 위반, 렙톤 프리미티브 위반, 어둠성 광자 등을 포함한 새로운 물리 현상을 초고감도로 탐색할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 루미노시티와 검출기 성능 향상을 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 감도를 크게 향상시키기 위해.
• 브랜치 비율과 CP 비대칭성의 고정밀 측정을 통해 희귀 B 및 D 붕괴를 연구하기 위해.
• 표준모형에서 매우 억제되는 렙톤 프리미티브 위반 및 중성미자 전이를 포함한 중성미자 전이를 탐색하기 위해.
• 비가시 및 이격된 최종 상태를 통해 어둠성 광자와 1GeV 이하 어둠성 물질을 포함한 어둠성 영역을 탐색하기 위해.
• 2024년까지 통합 루미노시티 50 ab⁻¹를 달성하여 CKM 단위행렬 삼각형과 희귀 붕괴에 대한 정밀 검증을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 나노빔 집중 기술을 통해 빔 크기를 줄여 8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹의 루미노시티를 달성한 비대칭 e⁺e⁻ 콘서트러를 사용한다.
• DEPFET 및 DSSD 센서를 사용한 새로운 버전 감지기(PXD 및 SVD)를 도입하여 더 높은 복합점 해상도를 확보한다.
• 바렐 영역에는 이미징 전파 시간(TOP)을, 향후 영역에는 에어졸 레이더 및 HAPD 판독 방식을 사용한 ARICH를 포함한 새로운 입자 식별 시스템을 구현한다.
• 재사용된 결정과 새로운 웨이브폼 샘플링 전자회로를 도입하여 에너지 및 타이밍 해상도를 향상시킨 새로운 전자열량계(ECL)를 구축한다.
• 앞서 영역의 배경 증가를 고려해 RPC 대신 색소를 사용하는 새로운 KLM 시스템을 설치한다.
• 단계별 콘미션: 단계 1(구성 요소 테스트), 단계 2(테스트 데이터를 포함한 부분 검출기), 단계 3(2018년 후반부터 전체 검출기 물리 데이터 수집).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Belle II는 D⁰ → φγ 및 D⁰ → ρ⁰γ와 같은 방사선 D⁰ 붕괴에서 직접 CP 위반에 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ2 Belle II는 현재 BaBar의 90% 신뢰수준에서 2.2×10⁻⁶인 한계를 초과하여 D⁰ → γγ의 브랜치 비율 상한선을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 Belle II는 렙톤 프리미티브 위반 타우 붕괴에 대해 예상되는 감도는 무엇이며, 이는 이전 실험과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 Belle II는 비가시 또는 이격된 최종 상태를 통해 어둠성 광자와 1GeV 이하 어둠성 물질을 얼마나 효과적으로 탐색할 수 있는가?
• RQ5 Belle II는 LHCb 및 이전 B 패러티클 패킷과 비교해 CKM 단위행렬 삼각형의 정밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• Belle II는 D⁰ → φγ에서 직접 CP 비대칭성에 대해 1%의 감도를 확보할 것으로 예상되며, D⁰ → ρ⁰γ에서는 최대 10%까지 향상될 것으로 예측되며, 이는 Belle의 78 fb⁻¹에서 25%의 불확실성과 비교해 뚜렷한 향상이다.
• 50 ab⁻¹의 데이터로, 루미노시티 L 비례로 스케일링할 경우 D⁰ → γγ의 브랜치 비율 상한선은 약 ∼2×10⁻⁸까지 향상될 수 있으며, √L 비례로 스케일링할 경우 약 ∼2×10⁻⁷까지 향상될 수 있다.
• 실험은 브랜치 비율이 약 10⁻⁸까지 내려가는 렙톤 프리미티브 위반 붕괴를 탐색할 것으로 예상되며, 이는 Belle 및 BaBar의 현재 한계를 초월한다.
• 50 ab⁻¹ 데이터셋 기간 동안 Belle II는 550억 개의 B̄B 쌍, 470억 개의 τ⁺τ⁻ 쌍, 650억 개의 c̄c 상태를 수집하여 희귀 및 금지 붕괴의 고통계 연구가 가능해진다.
• TOP, ARICH, ECL를 포함한 업그레이드된 검출기 시스템은 빔 테스트를 통과했으며, 데이터와 몬테카를로 시뮬레이션 간의 우수한 일치를 보여 성능이 검증되었다.
• SuperKEKB 가속기는 전면 콘미션 일정에 따라 진행 중이며, 물리 데이터 수집은 2018년 후반에 시작될 것으로 예상되며, 50 ab⁻¹ 목표는 2024년에 달성될 것으로 예측된다.