[论文解读] The Belle II Experiment and SuperKEKB Upgrade

Qingji Wang|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2015

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 10

一句话总结

Belle II实验是Belle/KEKB B介子工厂的升级版，旨在到2024年在Υ(4S)共振态下收集50 ab⁻¹的e⁺e⁻碰撞数据，通过SuperKEKB的纳米束聚焦技术将亮度提高40倍。凭借增强的探测器子系统，它将以前所未有的灵敏度探测新物理，包括直接CP破坏、轻子味破坏以及暗光子。

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.

研究动机与目标

• 通过提高亮度和探测器性能，显著提升对标准模型之外新物理的探测灵敏度。
• 对稀有B和D介子衰变进行高精度分支比和CP不对称性测量。
• 搜索轻子味破坏和味改变的中性流过程，这些过程在标准模型中高度抑制。
• 通过隐形末态和位移末态探测暗物质区，包括暗光子和亚GeV暗物质。
• 到2024年实现50 ab⁻¹的积分亮度，从而对CKM幺正三角形和稀有衰变进行精确检验。

提出的方法

• 利用SuperKEKB的非对称e⁺e⁻对撞机，通过纳米束聚焦技术将亮度提升至8×10³⁵ cm⁻²s⁻¹，从而减小束斑尺寸。
• 采用DEPFET和DSSD传感器开发新型顶点探测器（PXD和SVD），以提升顶点分辨能力。
• 在中段区域采用TOP（飞行时间成像）系统，在前向区域采用ARICH系统，使用气凝胶辐射体和HAPD读出技术，构建新型粒子鉴别系统。
• 通过更换晶体和新型波形采样电子学，升级电磁量能器（ECL），以改善能量和时间分辨率。
• 用闪烁体替代RPC，安装新型KLM系统，以应对前向区域背景增加的挑战。
• 分阶段进行调试：第一阶段（部件测试），第二阶段（部分探测器与测试数据），第三阶段（自2018年底起开始完整探测器的物理数据采集）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Belle II对D⁰ → φγ和D⁰ → ρ⁰γ等辐射D⁰衰变中的直接CP破坏的灵敏度如何？
• RQ2 Belle II能否在90%置信水平下，将D⁰ → γγ稀有衰变的分支比上限超越当前BaBar实验的2.2×10⁻⁶？
• RQ3 Belle II对轻子味破坏的τ衰变的预期灵敏度是多少？与以往实验相比如何？
• RQ4 Belle II通过隐形或位移末态探测暗光子和亚GeV暗物质的效率如何？
• RQ5 与LHCb及以往B工厂相比，Belle II在CKM幺正三角形精度方面能提升多少？

主要发现

• 预计Belle II对D⁰ → φγ的直接CP不对称性灵敏度可达1%，对D⁰ → ρ⁰γ的灵敏度可达10%，显著优于Belle在78 fb⁻¹数据下25%的不确定性。
• 在50 ab⁻¹数据下，若分支比随亮度L缩放，D⁰ → γγ的分支比上限可提升至∼2×10⁻⁸；若随√L缩放，则可提升至∼2×10⁻⁷。
• 实验预计可探测到分支比低至∼10⁻⁸的轻子味破坏衰变，优于Belle和BaBar的当前限制。
• 在50 ab⁻¹的数据中，Belle II将收集550亿对B̄B，470亿对τ⁺τ⁻，以及650亿对c̄c态，为稀有和禁戒衰变的高统计研究提供支持。
• 包括TOP、ARICH和ECL在内的升级探测器系统已通过束流测试，数据与蒙特卡罗模拟结果高度一致，验证了其性能。
• SuperKEKB加速器按计划推进至全面调试，预计2018年底开始物理数据采集，50 ab⁻¹目标预计于2024年实现。