[论文解读] Super KEKB and Belle II: Status of the KEK Super B Factory

Z. Doležal|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文介绍了超级KEKB电子-正电子对撞机和Belle II探测器升级的设计与现状，通过纳米束光学和束流优化，旨在实现8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹的亮度——是KEKB的40倍。Belle II探测器配备了DEPFET像素顶点探测器、升级的追踪与量能器系统，以及增强的粒子识别能力，目标是在2020年前利用50 ab⁻¹的积分亮度实现对CP破坏和稀有B介子衰变的精确测量。

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.

研究动机与目标

• 通过两个数量级的亮度提升，显著增强KEKB B工厂的性能，以实现B介子衰变的高统计精度研究。
• 通过改进CKM矩阵元测量的精度，特别是单位三角形的角度，解决当前B工厂实验的局限性。
• 设计下一代探测器（Belle II），使其能够在高亮度、高背景条件下运行，同时保持优异的顶点和粒子识别性能。
• 通过提升对B介子系统中稀有衰变和CP破坏不对称性的敏感度，实现新物理的发现。
• 建立开放的国际协作（Belle II），促进全球范围内的实验与探测器研发合作。

提出的方法

• 通过将对撞点处的垂直β函数从6 mm降低至0.27/0.42 mm，实现纳米束光学，从而实现极端束斑压缩。
• 利用蟹腔和束流-束流补偿技术，提高束流-束流参数，并在更高束流强度下维持束流稳定性。
• 用两层DEPFET像素传感器替换Belle顶点探测器，以在重建短寿命B介子衰变时获得更优的空间和能量分辨率。
• 为硅strip探测器集成快速APV25读出芯片，以应对高占据率和高辐射水平。
• 为电磁量能器实施新型读出系统，采用流水线处理与波形采样技术，以应对高数据率和背景干扰。
• 在追踪系统中部署飞行时间传播（TOP）和气凝胶切伦科夫探测器，以实现对K介子/pion的高精度分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 Super KEKB对撞机能否通过纳米束光学和束流优化实现8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹的亮度？
• RQ2 与双面硅strip探测器相比，DEPFET像素顶点探测器在影响参数分辨率方面可实现多大程度的提升？
• RQ3 Belle II探测器在预期达到50 ab⁻¹积分亮度的极端辐射与占据条件下，能否保持高性能？
• RQ4 在升级设施获取5 ab⁻¹数据的情况下，测量CKM矩阵角φ₁、φ₂和φ₃的预期精度是多少？
• RQ5 Super KEKB和Belle II增强的灵敏度在多大程度上可探测标准模型之外的新物理，特别是在稀有衰变和胶子主导的B介子衰变中？

主要发现

• Super KEKB对撞机的设计峰值亮度为8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹，相比当前KEKB性能提升了40倍。
• 纳米束方案（β*降低至0.27/0.42 mm，束流强度提升至3.6/2.6 A）是实现目标亮度的首选路径，优于高电流方案。
• 与原始双面硅strip设计相比，DEPFET像素顶点探测器预计可将影响参数分辨率提高3倍。
• 模拟结果表明，采用38×50 μm²节距和50 μm厚度的DEPFET像素探测器，可实现低于2 μm的本征空间分辨率。
• 在5 ab⁻¹积分亮度下，φ₂ = α的测量精度预计可达2度，sin(2φ₁) = sin(2β)的测量精度可达1%，理论不确定性处于相同水平。
• Belle II探测器升级包括新型漂移室、采用波形采样技术的升级电磁量能器，以及基于闪烁体与盖革模式APD的端盖μ子系统，具备高背景抗性。