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

A. Accardi, D. M. Asner+106 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 13

一句话总结

本文提出通过在SuperKEKB上引入极化电子束，实现10.58 GeV质心系能量下的新精密物理计划——'手征Belle'。通过测量$e^+e^-$末态及$\tau$对的左右不对称性，该计划可实现对$\tau$磁矩的$10^{-5}$量级精度，以及对宇称破坏型暗 sector规范玻色子的$10^{-3}$量级灵敏度；束流极化通过康普顿极化仪在线测量，同时利用$\tau$衰变运动学进行离线测量。

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.

研究动机与目标

• 在10.58 GeV能量下实现电弱参数（包括$\sin^2\theta_W$）的精确测量，远离$Z^0$共振峰。
• 通过独立测量左右不对称性，解决SLC与LEP对$A_{LR}^{b}$和$A_{FB}^{b}$测量结果之间存在的$3\sigma$差异。
• 利用极化束流实现对μ子、粲夸克与底夸克之间中性流普遍性的前所未有的精确检验。
• 在40 ab$^{-1}$数据下，以$10^{-5}$量级精度测量$\tau$轻子的反常磁矩$g-2$，探测尺度达$10^{-6}$的新物理。
• 通过中性流普遍性检验，实现对宇称破坏型暗 sector 规范玻色子（$Z_{\rm dark}$）的灵敏探测。

提出的方法

• 建设低发射度极化电子源，向SuperKEKB高能环提供横向极化的电子束。
• 在对撞点（IP）前使用自旋旋转磁铁将电子束自旋从横向旋转至纵向，对撞后再次旋转回横向。
• 在首个自旋旋转磁铁与IP之间安装康普顿极化仪，实现束流极化的在线测量。
• 通过分析$e^+e^- \to \tau^+\tau^-$过程产生的$\tau^+\tau^-$对的自旋依赖性衰变运动学，在IP处实现离线束流极化测量。
• 利用BMAD模拟对自旋旋转系统进行建模与优化，包括偶极-螺线管-四极磁铁组合功能磁铁与直接绕制磁铁。
• 利用BESIII/BABAR实验数据验证$\tau$极化测量技术，实现束流极化测量的相对系统不确定度为$\pm 0.4\%$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SuperKEKB上使用极化电子束，能否在10.58 GeV能量下实现与LEP/SLC世界平均值相当的$\sin^2\theta_W$精度？
• RQ2 通过独立的左右不对称性测量，能否解决SLC与LEP对$A_{LR}^{b}$和$A_{FB}^{b}$测量结果之间存在的$3\sigma$差异？
• RQ3 利用极化束流，对μ子、粲夸克与底夸克之间中性流普遍性的检验，可达到何种精度？
• RQ4 在40 ab$^{-1}$数据下，能否以$10^{-5}$量级精度测量$\tau$轻子的反常磁矩$g-2$？
• RQ5 能否利用$\tau$对衰变运动学测量束流极化，实现相对系统不确定度为$\pm 0.4\%$？

主要发现

• 在10.58 GeV能量下，利用极化束流可实现与$Z^0$共振峰处世界平均值相当的$\sin^2\theta_W$精度，使在较低能量尺度下实现高精度电弱物理成为可能。
• 在40 ab$^{-1}$数据下，$\tau$反常磁矩$g-2$的测量精度可达$10^{-5}$量级，随着更多数据积累以及对$m_\tau$和$M_{\Upsilon(1S)}$测量的改进，有望接近$10^{-6}$量级。
• 利用$\tau^+\tau^-$衰变的$\tau$极化测量技术，可实现束流极化测量的相对系统不确定度为$\pm 0.003$，对应70%极化束流的$\pm 0.4\%$精度。
• BABAR数据分析表明，利用0.4 ab$^{-1}$数据可实现$\pm 0.0035_{\rm stat} \pm 0.0030_{\rm sys}$的束流极化不确定度，证明了该方法的可行性。
• 采用组合功能磁铁的自旋旋转器设计是可行的，且可在SuperKEKB晶格中实现对振荡频率、色差与束流透明度的优化。
• 该升级的总资本成本预计低于SuperKEKB年电力成本的一半，且有显著潜力获得非日本机构的资金支持。