Transcript - 奈良女子大学 高エネルギー物理学研究室

Belle実験の最新結果
（2008年夏）
2008年8月5日
宮林謙吉
（奈良女子大学理学部）
KEK機構内セミナー
For Belle collaboration
お品書き
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イントロダクション
風変わり（エキゾチック）なハドロンの話題
CP非保存(B0→K00)
稀崩壊(B→K(*)l+ l-)
まとめ
途中、 素 は「素人向け」、 玄 は「玄人向け」
イントロダクション
素
• 加速器での「素粒子の調べ」は、自然が仕込んだ
「iPod shuffle」を鑑賞するようなもの
– 電子ビームと陽電子ビームが衝突するたび、どんな反応＝事
象(event)が生じるかは確率的。
– 音程（＝質量）はいくらか？ 音色（＝崩壊幅）は？ 曲目（＝崩
壊モード）はどんなものがあるか？
=
素
量子力学と相対論の１ページ復習
「電子、陽子といった粒子も波としての性質を持つ」
E = h
E:エネルギー、h:プランク定数、 :振動数
「質量とエネルギーは等価である」
E = mc2
E:エネルギー、m:質量、c:光速
ただし、運動量pも考慮すると
E2 = (mc2)2 + (pc)2
質量スペクトルで粒子を観測する
素
振幅の大きさ
音叉は単一の
サインカーブを出す
Q
P
S
440Hz
QとSを検出器でとらえてエネル 事象数
ギーと運動量を測ったら、Pの崩
壊から来たものかどうか、質量を
計算して考察
振動数
幅：測定精度or
寿命の逆数
(mc2)2 = E2 - (pc)2
注:エネルギー、運動量の保存
MP
QS質量
振動数（=質量）が互いに重なった
複数の成分には注意が必要 素
•ラジオも、二つの局が互いに重なった周波数で放送すると混信。
•波の重ね合わせ（干渉）は、位相差により、強め合うとき
(constructive interference)と、弱め合う場合(destructive
interference)がある。位相差を考慮した手法(Dalitz解析)が有効。
観測された波が青と赤の
波の弱め合う干渉であるとき
観測された波が青と赤の
波の強め合う干渉であるとき
KEKB 加速器
1fb-1/day
Lum./day
800fb-1
Int. lum.
8GeV(e-)X3.5GeV(e+)、世界最高のルミノシティ(輝度)
最新結果はΥ(4S):605fb-1、Υ(5S):22fb-1 + エネルギースキャンのデー
タを解析
Belle測定器
CsI calorimeter
Aerogel Cerenkov
Time Of Flight
S.C. solenoid
3.5GeV e+
1.5T
8GeV eSilicon Vertex Detector
KL μ system
Central Drift
Chamber
汎用で粒子識別能力に優れた高分解能スペクトロメーター
ハドロン(hadron)
素
•構成要素としてクォークを含む粒子
•これまでに知られているハドロンは、
-陽子や中性子のようにクォーク３つからなるバリオン
-Kやのようにクォーク・反クォークからなるメソン
のいずれかであった。
風変わり（エキゾチック）なハドロン
qq(メソン)、qqq(バリオン)でないものも可能性あり。
ペンタクオーク:
e.g. an S=+1 バリオン
u d
u
d s
グルーボール:
gluon-gluon color singlet states
テトラクオーク:
u
c
c u
qq-gluonハイブリッド
c
c
構成要素としてcやbを含むと
• 軽いクォーク(u,d,s)は混ざる場合があるが
例：
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
’
玄
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ÅB
重いクオーク(Mc~1.5GeV、 Mb~5GeV)なので混ざらない。
• 特にccの場合、J/(ccの1S束縛状態)や’(2S束縛状態)は
e+e-や+  -に崩壊してくれるので、実験データ中に明瞭な信号
を得やすい。bbの場合も、Υ(1S)、 Υ(2S)、 Υ(3S)は+  -へ
の崩壊が使える。
テトラクォークの場合は
u
c
c u
d
c
c d
電気的に中性
d
c
c u
電荷１を持つ
• ccuu, ccddであれば中性だが、ccudのような組み合わ
せならば電荷を持つ。
• ccを含み、電荷をもつハドロンの探索が興味深い。
電荷を持ちccを含む二つの
新粒子、Z1, Z2の発見
B中間子の崩壊における
ccを含むハドロンの生成
B中間子の崩壊過程はccを含むハドロンの源として使える。
カビボ抑制なし (Vcb と Vcs)→崩壊分岐比は割合高い。
玄
Spectroscopy
（分光学的研究）
↓
質量, 幅?
新しい状態は?
B
K, K*
チャーモニウム(通常のcc束縛状態)
玄
DD生成閾値を超す
質量のものはいまだ
よくわかっていない。
DDやDD*への崩壊
は強い相互作用で起
きるので、これらが支
配的になり、崩壊幅
が広くなる、というの
が旧来の常識。
’
c
J/
これらの状態はすでに
同定されている。
チャーモニウムの再構成
J/→レプトン対という過程は、質量分布の中に明瞭なピーク
+-
e+e-
チャーモニウムの再構成(続)
(2S)
→ J/ +-
cc1, cc2 → J/ g
cc1
cc2
高いエネルギー準位のもの((2S), cc)は
質量差分布のピークを利用
B中間子崩壊の再構成
Example; B0→ J/ KS
Υ(4S)→ BB
二体反応の運動学を利用
DE(GeV)
Mbc = { (ECM/2)2 - (S Pi)2}1/2
信号はB質量にピーク
(5.28GeV)
DE = S Ei - ECM/2
信号はゼロにピーク
Mbc(GeV)
復習：ccを含むエキゾチックハドロン
をB中間子崩壊中に探す
X(3872)は
B→ J/ +- K崩壊で
J/ +-の質量分布に
ピークとして出現
荷電テトラクォークの中には、チャーモニ
ウムと荷電パイ中間子に崩壊するものが
いるのでは？
B→チャーモニウム ± Kで
チャーモニウム ± の質量分布にピーク
を探そう！
復習：B→Z(4430)±Kの観測
’±K(K はK∓ または KS) の組み合わせでB中間子を再構成
’ はe+e-, +- または J/ +-で見つけられる。
B→ ’±Kの信号は比較的きれいなピークとして観測される。
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ÅB
ありふれた崩壊モードであるB→ ’K* がいっぱい入ってるので、
Dalitz平面上の分布をチェック。
PRL100,142001 (2008)
M2(’)
復習：Dalitz 分布
ここに事象の集中がある。
これは何だ？
QuickTimeý Dz
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ÅB
K*2(1430)
K*(892)
PRL100,142001 (2008)
M2(K)
B→ ’±K過程のM(’ ±
4430MeV/c2に明瞭なピークあり
(発見者は Z(4430)と命名)!
フィット : Breit-Wigner (ピーク部分)
+位相空間分布.
Npeak=121±30events(6.5)
M=4433±4±2 MeV/c2
=44 +18/-13 +30/-13 MeV.
QuickTimeý Dz
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ÅB
これはccを含むハドロンのうち、電荷を
持つ状態をはじめて観測したもの！
チャーモニウムではあり得ず、
荷電テトラクォークである公算が高いと
思われる。
スピンやパリティを決定するには、さらに
実験データの蓄積が必要 玄
DE サイドバンド領域の分布で
見積もったバックグラウンド
PRL100,142001 (2008)
柳の下に二匹目のどじょう（？）
Z(4430)+はB→ ’±K過程で、’の質量分布にピークとして発見。
’のかわりにcc1を用いて同じことをしたらどうなるであろうか？
B0→ cc1±K∓過程の信号は明瞭に得られる
Belle preliminary
QuickTimeý Dz
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ÅB
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ÅB
ではDalitz平面上の分布は？
arXiv:0806.4098
Dalitz分布
Belle preliminary
QuickTimeý Dz
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ÅB
このあたりに事象の集中
がある。
これは一体何だろう？
K*(892)
K*(1430)
arXiv:0806.4098
Dalitz解析
•
玄
B0→ cc1±K∓崩壊に寄与する様々な過程の波動関数
（=遷移振幅）をDalitz平面上の関数として入れる。
–
B0→ cc1K*, K*→ ±K∓の類；
, K*(892), K*0(1430), K*2(1430), K*(1680), K*3(1780)
–
B0→Z K∓, Z→ cc1±の類；
Zは一つでよいか？近接した二つが重なり合っていないか？
•
上記のDalitz平面上の関数を用いてフィット（=最尤度
法）
Zなし、or 一つのZ
Zなしの仮定
データを再現できず
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ÅB
M(cc1)2 (GeV2)
Events/0.2GeV2
Events/0.2GeV2
1.0GeV2<MK2<1.75GeV2
Belle preliminary
一つのZを仮定
二つの
近接したピーク？
Quic kTim eý Dz
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ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç•
ÅB
M(cc1)2 (GeV2)
arXiv:0806.4098
M(cc1±)分布
1.0GeV2<MK2<1.75GeV2
Belle preliminary
実験データは二つのcc1±に
崩壊する粒子が存在するこ
とを強く示唆；Z1とZ2
QuickTimeý Dz
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ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç •
ÅB
Z1とZ2
cc1±に崩壊する粒子が存
在しない仮定でのフィットは
実験データを再現できず。
arXiv:0806.4098
Z1, Z2の結果まとめ
• Z1
M=4051 ±14(stat) +20/-41(syst) MeV Belle preliminary
=82 +21/-17(stat) +47/-22(syst) MeV
Br(B0→Z1±K∓)×Br(Z1± → cc1±)
=(3.0 +1.5/-0.8(stat) +3.7/-1.6(syst))×10-5
• Z2
M=4248 +44/-29(stat) +180/-35(syst) MeV
=177 +54/-39(stat) +316/-61(syst) MeV
Br(B0→Z2±K∓)×Br(Z2± → cc1±)
=(4.0 +2.3/-0.9(stat) +19.7/-0.5(syst))×10-5
柳の下に、二匹もどじょうが！！
arXiv:0806.4098
Yb:bクォーク対を含む新しい
ハドロン
復習：ccを含む”Y”粒子
衝突直前のe+（またはe-）が光子を放出、
有効な衝突エネルギーが下がって生じる
反応がある。Radiative return、または
Initial State Radiation(ISR)と呼ばれる。
QuickTimeý Dz
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ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç •
ÅB
BaBar:”Y(4260)”
PRL95,142001
QuickTimeý Dz
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ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç •
ÅB
ccを含んで
重いのにJ/
に崩壊する。
bbでも同様の
粒子(Yb)がいる
か？
Belle:”Two Ys, 4.05GeV and 4.25GeV”
PRL99,182004
ハドロン生成全断面積
”Υ(5S)”→Υ(nS)+- (n=1,2,..)
QuickTimeý Dz
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ÅB
“Υ(5S)”
重心系エネルギー
Υ(4S)→B0B0, B+BΥ(5S)→B0B0, B+B-, BSBS など
B中間子の類の対生成が支配的
で、その他の過程の存在はBファ
クトリー実験以前にはわかってい
なかった。
しかし、Bファクトリーの高統計
データにより（→次頁）
”Υ(5S)”→Υ(nS)+-（続き）
Υ(4S)→ Υ(1S)+-, Υ(2S)+-, Υ(3S)+-が存在する
ことがわかった(PRD75,071103R)。
”Υ(5S)”→ Υ(nS)+-も測定したところ、
QuickTimeý Dz
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ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç •
ÅB
ISR
”Υ(5S)”→ Υ(1S)+-, Υ(2S)+-はΥ(4S)などの場合とく
らべて数十倍も大きい！(PRL100,112002)
これは一体どういうことか？
終状態（＝曲目）をΥ(1S)+-, Υ(2S)+-に限ると、 Υ(5S) (bbの束縛状態)
とほぼ同じ質量のもう一つの粒子Ybが作られて、重なり合っているのでは？
（＝ほぼ同じ音程で、その曲だけ得意な演奏者が隠れている？）
Υ（1S）
Υ（2S）
B0B0, B+B-,
BSBS, …
Yb
Belle
Υ（5S）
重心系エネルギーを10.689GeVの近傍で変えながらデータ収集
（=YbとΥ(5S) の音色の違いを調べたい）=エネルギースキャン
エネルギースキャンの結果
Belle preliminary
QuickTimeý Dz
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QuickTimeý Dz
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ÅB
BB、BSBSなど”全曲目”
既知のΥ(5S)（あるいは
Υ(6S) ）データと無矛盾。
Υ(ns)に限ると、ピーク位置(=
最も得意な音程)と幅(=音色)が
既知のΥと違っている！
M=10889.6±1.8(stat)±1.5(syst) MeV
=54.7+8.5/-7.2(stat)±2.5(syst) MeV
Ybがいた！
B→KのCP非保存
中性B中間子と荷電B中間子で、CP非保存が異なる。
(Nature452,332)
標準模型を超える物理の探索には、B0→K00のCP非保存との関
連を議論するのがよい（Sum Rule：Gronau, PLB627,82, etc.） 玄
B0→K00のCP非保存
Belle preliminary
KL0 239± 47 evts
初挑戦！
KS0 657± 37 evts
SCP=+0.67±0.31(stat)±0.08(syst)
ACP=+0.14±0.13(stat)±0.06(syst)
Sum Ruleの予想では−0.151±0.043 玄
スーパーBファクトリーで重要なテーマ
B → K(*)l+l-
玄
ループのあるファインマン図形で生じる→標準模型を超える物理に感度。
レプトン対の質量分布、角度分布などが新しい物理の探索に有用。
Belle preliminary
K*l+l- : 230±23events
K l+l- : 166±15events
M(K)
Mbc
Mbc
レプトン対質量2=q2分布
Belle preliminary
K*l+l-
Kl+l-- Belle, 08’ ICHEP
-- BABAR, 08’ FPCP
-- Melikhov et. al (quark
model, PLB 410, 1997)
-- Ali (PRD 66, 034002,
290, 2002)
BaBarの結果、理論計算と無矛盾。
レプトン角度分布
Bl > /2 : 前方(Forward)
Bl < /2 : 後方(Backward)
玄
AFB
標準模型の予言では、q2が小さい領域(4GeV2以下)の
領域でAFBがマイナスになる。
一方、実験データはその領域でAFBがプラスである。
Belle preliminary
標準模型との矛盾を確認するにはさらにデータ必要
→スーパーBファクトリーで重要なテーマ
まとめ
• 新たに３つの風変わりなハドロンを発見した。
– Z1とZ2 : ccを含み、cc1±に崩壊する。Z(4430)に続く荷電テ
トラクォーク候補。
– Yb : 質量10889.6 GeVで、Υ(nS)に崩壊、既知のΥ(5S)と
は別物であるとエネルギースキャンで明らかに。
• B0→K00崩壊のCP非保存
– Sum Ruleの期待とACPが逆符号
• B→K(*)l+ l -のAFB
– 標準模型とq2の小さい領域(<4GeV2)で符号が不一致
Belleの今秋冬と来年度のデータ、スーパーBファクトリー
に希望が膨らむ成果となりました。