[论文解读] Super KEKB / Belle II Project

B. Golob|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 3

一句话总结

该论文介绍了Super KEKB/Belle II项目，这是一个升级后的$e^+e^-$对撞机与探测器系统，旨在实现8×10³⁴ cm⁻²s⁻¹的亮度，并在2020年前收集50 ab⁻¹的数据。该升级使精确测量稀有B介子衰变和$CP$破坏成为可能，通过改进的顶点重建、粒子识别和电磁量能器，对标准模型之外的新物理（包括带电Higgs玻色子和超对称模型）具有敏感性。

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.

研究动机与目标

• 通过显著提高B工厂的亮度和数据获取能力，解决B介子衰变中持续存在的新物理迹象。
• 实现对稀有衰变和对标准模型之外物理敏感的$CP$破坏观测量的精确测量。
• 对Belle探测器和KEKB加速器进行升级，以应对10–20倍更高的背景率，并实现亚100 nm量级的束斑尺寸。
• 通过多个可观测量之间的关联（如$B^0 \to \phi K_S$和$B^0 \to K^{*0} \gamma$中的$CP$不对称性），进行互补的、与模型无关的新物理检验。
• 在收集50 ab⁻¹数据后，实现对比率$\mathcal{B}(B^+ \to \tau^+ \nu)/\mathcal{B}^{\text{SM}}$的灵敏度优于0.1，覆盖$(m_{H^\pm}, \tan\beta)$平面的广阔区域。

提出的方法

• 将KEKB对撞机升级为Super KEKB，通过减小束流发射度和提高束流强度，利用更短的beta函数（$\beta^* \sim 0.27$ mm）和蟹钳准直技术，实现$8 \times 10^{34}$ cm⁻²s⁻¹的亮度。
• 安装新的末端聚焦四极磁铁、新的束流管道，并重新设计相互作用区，以减小束斑尺寸并改善动态孔径。
• 采用更高的对撞角（83 mrad）并略微减小束流能量不对称性，以减轻Touschek损失并延长束流寿命。
• 用两层DEPFET像素传感器替换Belle探测器的顶点系统，以提升高亮度环境下的轨迹重建和顶点重建性能。
• 通过新增飞行时间系统和升级的气凝胶契伦科夫计数器，改进粒子识别系统，增强高动量区域的$K/\pi$分离能力。
• 更换电磁量能器的电子学系统，以实现幅度-时间测量，将非触发时间背景降低7倍，并考虑将掺铊的CsI晶体替换为抗辐射的纯CsI晶体。

实验结果

研究问题

• RQ1 Belle II实验在收集50 ab⁻¹数据后，能否在$B^+ \to \tau^+ \nu$衰变中实现对带电Higgs玻色子的五倍标准差发现？
• RQ2 在$B^0 \to \phi K_S$和$B^0 \to K^{*0} \gamma$衰变中，间接$CP$破坏之间的关联如何帮助区分mSUGRA和SUSY SU(5)等竞争的新物理模型？
• RQ3 在$B \to K^* \ell^+ \ell^-$衰变中，轻子前向-后向不对称性在多大程度上能够解决标准模型与当前测量结果之间的差异，特别是与$C_7$威尔逊系数的符号反转有关的差异？
• RQ4 在亮度提高1000倍且探测器性能提升的条件下，Belle II对稀有B衰变中可能存在的新物理的预期灵敏度如何？
• RQ5 在抑制束气相互作用和非触发时间背景的同时，升级后的Belle II探测器能否保持接近当前水平的光子探测效率（在5–10%以内）？

主要发现

• 预计Super KEKB对撞机的峰值亮度将达到$8 \times 10^{34}$ cm⁻²s⁻¹，到2020年可收集50 ab⁻¹数据，且在运行两年内即可实现5 ab⁻¹。
• 对$B \to K^* \ell^+ \ell^-$衰变中轻子前向-后向不对称性的测量将具备足够精度，可区分标准模型与具有反号$C_7$威尔逊系数的模型（如某些超对称模型）。
• 在收集50 ab⁻¹数据后，对比率$\mathcal{B}(B^+ \to \tau^+ \nu)/\mathcal{B}^{\text{SM}}$的灵敏度将低于0.1，从而在$(m_{H^\pm}, \tan\beta)$平面的广阔区域内实现对带电Higgs玻色子的五倍标准差发现。
• 即使在质量谱相似的情况下，$B^0 \to \phi K_S$和$B^0 \to K^{*0} \gamma$衰变中$CP$破坏的关联性，仅用5 ab⁻¹数据即可区分mSUGRA和SUSY SU(5)模型。
• 通过幅度-时间测量，升级后的电磁量能器可将非触发时间束流背景抑制7倍，同时在更高背景率下仍能将光子探测效率保持在当前水平的5–10%以内。
• 一级触发率预计提升至约20 kHz，但由于采用了新型电子学系统和抗辐射组件，整体探测器的屏蔽性与性能预计将得到改善。