[论文解读] Searches for New Physics at the Belle II Experiment

Qingji Wang|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文介绍了在SuperKEKB上的Belle II实验，该实验是一个升级版的B工厂对撞机，旨在收集50 ab⁻¹的e⁺e⁻对撞数据——是其前身的40倍——从而实现对标准模型的高精度检验，并开展新物理的搜索。通过利用更高的亮度和先进的探测器系统，Belle II致力于研究关键的新物理现象，包括稀有B衰变、带电Higgs粒子、轻子味违反、直接CP破坏以及暗物质 sector 粒子。

ABSTRACT

The Belle II experiment at the SuperKEKB collider is an upgrade of the Belle / KEKB experiment. It will start physics data taking from 2018 and with $40$ times luminosity, its goal is to accumulate 50 $ab^{-1}$ of $e^+e^-$ collision data. The physics programs have a wide range of areas for new physics, such as more constraints on CKM Unitarity Triangle, searching for charged Higgs, direct CPV, Lepton Flavour Violation and dark matter.In this monograph, we will review the current status of Belle II and SuperKEKB construction and introduce the main physics opportunities at this facility.

研究动机与目标

• 利用50 ab⁻¹的e⁺e⁻对撞数据，实现对标准模型CKM幺正三角形的高精度检验。
• 通过稀有过程和味改变过程（如轻子味违反和带电Higgs衰变）搜索标准模型之外的物理。
• 通过高统计精度测量不同电荷本征态之间的CP不对称性差异，提高对B→Kπ衰变中直接CP破坏的探测灵敏度。
• 通过寻找暗光子和亚GeV暗物质的隐形衰变及位移末态，探测暗物质 sector。
• 通过Belle探测器和SuperKEKB对撞机的重大升级，将亮度提高40倍，实现上述目标。

提出的方法

• 利用设计亮度为8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹的SuperKEKB非对称e⁺e⁻对撞机，实现比KEKB高40倍的亮度。
• 实施新的探测器系统，包含升级的组件：顶点探测器（PXD/SVD）、更大的漂移室、新的粒子识别系统（TOP和ARICH）、改进的ECL电磁量能器以及升级的KLM系统。
• 应用先进的触发、数据获取（DAQ）和软件系统，以应对亮度提升带来的高背景率。
• 利用不同电荷本征态之间的和规则关系，测量B→Kπ衰变中的CP不对称性，以检验新物理贡献。
• 利用高统计量数据搜索轻子味违反的τ衰变，探测分支比低至~10⁻⁸–10⁻⁹的信号。
• 通过轻子衰变寻找暗光子（A′），并通过隐形衰变寻找亚GeV暗物质，利用高亮度和低背景环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 Belle II利用50 ab⁻¹的数据，能否以亚百分之一的精度约束CKM幺正三角形？
• RQ2 B⁰→K⁰π⁰γ衰变中测量的CP不对称性是否能区分不同的超对称模型？
• RQ3 在B⁺→τ⁺ν和B→D(*)τν衰变的分支比中，是否存在超出标准模型预测的新物理证据？
• RQ4 B→Kπ末态中测量的CP不对称性差异是否偏离标准模型预测，提示存在新物理？
• RQ5 Belle II能否对暗光子产生设定具有竞争力的限制，或探测τ轻子的隐形衰变，从而探测暗物质 sector？

主要发现

• 在50 ab⁻¹的数据下，Belle II预计将在CKM幺正三角形的测量精度上比当前测量提高一个数量级以上。
• Belle II对B⁰→K⁰π⁰γ衰变中CP不对称性的预测灵敏度，将足以区分不同SUSY模型，预期精度可达~0.005–0.01。
• 若分支比超过~10⁻⁴，由于带电Higgs交换导致的B⁺→τ⁺ν和B→D(*)τν衰变分支比增强，其显著性将超过5σ。
• B→Kπ模式中直接CP不对称性的测量精度将达到~0.005–0.01，从而能够对标准模型预测进行敏感检验，并探测潜在的新物理信号。
• Belle II预计可实现对轻子味违反τ衰变的分支比探测下限达~10⁻⁸–10⁻⁹，优于以往实验。
• 该实验将对暗光子产生设定具有竞争力的上限，对MeV–GeV能区的A′质量，灵敏度可达~10⁻⁸–10⁻⁹，优于该质量区域现有极限。