Transcript Bファクトリー
Bファクトリー と スーパーBファクトリー はずみ まさし 羽澄 昌史 KEK 2005年8月7~8日 原子核三者若手 夏の学校 自己紹介 • • • • 1964年生まれ（CPの破れと同い年） 今まで参加した主な実験： ZEUS（ドイツ）、KTeV（アメリカ）、Belle（日本） 専門： 素粒子物理実験、特にCPの破れの測定 2005年 夢： 宇宙の誕生を素粒子物理で解明すること 1985年 1995年 講師とは、学生に毛のはえたもの。 研究者仲間なので、どんどん質問してください。 2 講義計画 I. Bファクトリー前史 II. Bファクトリーハイライト III. スーパーBファクトリー！ IV. （もし時間あれば） Bファクトリー物理のおい しいところつまみ食い 3 素粒子と宇宙のミッシングリン ク 素粒子 標準理論 ？ • • • • anti matter matter dark matter dark energy ０％ ４％ ２３％ ７３％ 4 素粒子と宇宙のミッシングリン ク 新しい物理が必要！ 素粒子 標準理論 • • • • anti matter matter dark matter dark energy ０％ ４％ ２３％ ７３％ 君たちは、非常にラッキー！ 5 粒子 対 反粒子 宇宙最初のバトル。どうやって勝負がついたのか？ 6 I Bファクトリー前史 弱い相互作用における対称性の破れ • １９５７年 パリティの破れ C. S. Wu – コバルト原子核のベータ崩壊 • １９６４年 CP対称性の破れ – K中間子の崩壊 V. Fitch J. Cronin （1980年ノーベル物理学賞） 他の相互作用では、このような破れは見つかっていない、、、 8 どちらが元？ 9 どちらが元？ 10 CP保存：絵を使ったアナロジー 左右反転 白黒反転 パリティ変換 粒子反粒子変換 元と、違う 元と、違わない 「元」と見分けがつくか？ というのがKey question 11 CPの破れ：エッシャーの絵を使ったアナロ ジー 左右反転 白黒反転 パリティ変換 粒子反粒子変換 元と、少し違う！ 「元」と見分けがつくか？ というのがKey question 12 Fitch-Croninの実験：装置概要 KL+–の探索 ＫＬ 当時の常識 KLはCP = -1の固有状態でCP は保存されるからKL（-はCP = +1の固有状態）は、あり得ない。 13 Fitch-Croninの実験：結果 -の質量がＫの質 量と一致する場合の み、前方（Ｋの飛来す る方向）にピークが見 える。 • (KL-)/ (KLall charged) = (2.0±0.4) x 10-3 14 「法則の法則」としての対称性 • • • • • 時空内での並進 パリティ変換（P変換） 粒子・反粒子変換（C変換） 時間反転（T変換） あわせ技 – CP変換、 CPT変換 – などなど 素粒子が従う物理法則は、これらの対称性を すべて満たすと思われていた。その一部が崩 れ去った。さあ、どうする？ 15 実際あった提案（ＣＰ保存を守るた め！） • 実はK0 -X0 (X0は中性粒子でエネルギー小） • Long-range Vector Field (KLエネルギーの二乗に比例） • シュレディンガー方程式への非線形項の導入（重ね合わ せの原理の破れ（＝量子論の破綻）） • ヘリウムバッグに入り込んでしまったハエによるリジェネ レーション。 後に続く実験で全て否定 16 宇宙をつくるには？ サハロフの3条件（１９６７年） １） 宇宙が非平衡状態にあること ２） バリオン数が保存しない事（粒子の 数や反粒子の数が変わる） ３） Cの破れとCPの破れ（粒子と反粒子 の本質的な違い）が存在する事 これらが成り立つ時、超高温で高い 対称性を持つ初期宇宙から、現在の よく冷えた物質優勢の宇宙を作る事 が出来る（ビッグバン宇宙論）。 これらは十分条件だが 必要条件ではない（CPVの破れ等） Andrei Sakharov (1921-1989) 1975年ノーベル平和賞 17 CとCPの違い 小林誠 「消えた反物質」（講談社ブルーバックス）より 「Cは破れているがCPは保存して いるということは何を意味するのであろうか。それはCの破れである粒子と反粒子の違い は、一方をP変換すれば消えるということだと理解してよい。いいかえれば、CPが保存し ているときは、粒子と反粒子の違いはP変換をすれば互いに移り変われる程度の比較的 単純な違いなのである。したがってこの段階ではまだ、粒子と反粒子の本質的な違いは 発見されていなかったといってよいであろう。」 P P C 粒子 CP C • 反粒子 運動量 スピン CPの破れ＝粒子と反粒子の本質的な違い 18 CPが保存された粒子・反粒子系 （宇宙初期） CPが保存されているなら、つまり[H, CP]=0なら、 今ある粒子・反粒子系をCP変換して、今ある系に足したものを 考えれば、いつまでたっても粒子系と反粒子系の勝負はつかないだろう。 宇宙初期は、そうなっていた。 ＋ 19 小林・益川理論：世界像を変えた一つの 論文（1973年） • ６つのクォークの組み合わせで、クォークの結合定数に 「大きな虚数」を導入。その虚数の働きで、クォークと反 クォークに差をつける。 • ３種類（u、d、s）しかクォークがないときに、6種類を提唱。 実は、当時の「本命」は、スーパーウィーク理論。小林益川理論は「穴馬」。 20 Top cited HEP articles of all time (SPIRES) ① cited 5424 times A MODEL OF LEPTONS By Steven Weinberg (MIT, LNS). Published in Phys.Rev.Lett.19:1264-1266,1967 ② cited 3989 times CP VIOLATION IN THE RENORMALIZABLE THEORY OF WEAK INTERACTION By M. Kobayashi, T. Maskawa (Kyoto U.). Published in Prog.Theor.Phys.49:652-657,1973 ③ cited 3077 times WEAK INTERACTIONS WITH LEPTON - HADRON SYMMETRY By S.L. Glashow, J. Iliopoulos, L. Maiani (Harvard U.). Published in Phys.Rev.D2:1285-1292,1970 21 B中間子系の時間に依存する「巨大な」CPの破れ (Time-dependent CP Violation: TCPV) 三田、Bigi、Carter (1981) CP CP非対称度、K中間子の100倍程度を予言！ 22 TCPVの式は、実験屋でも計算できま す！ ２状態系の シュレディンガー方程式 ぜひ、適当な教科書を 見て、自分で計算してみて ください。 23 20年前のCrazy Idea = 今の最高に面白い実験 • 必要なルミノシティ 1034 cm-2s-1 • 時間分解能 ~1ps – vertex resolution ~ 100mm S/Nがよく高速読み出しの両 面シリコンストリップ検出器 24 小林益川理論とクォークの弱い相互作用 小林益川の予言に沿って進んできた！ １９６４ K中間子のCP非保存の発見 (Fitch, Cronin) １９６７ 宇宙創世におけるCP非保存の役割 (Sakharov) １９７３ １９７４ １９７９ １９８１ 小林益川の６クォークモデルとCPの破れ チャームクォークの発見（Ting, Richter他） ボトムクォークの発見(Lederman他） 中性B中間子の大きなCPの破れの可能性（三田、Bigi、Carter） １９８７ 中性B中間子における（大きな）混合の発見(ARGUS) １９９５ トップクォークの発見(CDF, D0) １９９９ K中間子の直接的CP非保存の発見(KTeV, NA48) １９９９ Bファクトリー（Belle, BaBar）実験開始 21世紀の素粒子物理がはじまった！ 25 II Bファクトリーハイライ ト Scientific Achievements of B Factory Statistics (as of July 12, 2005) • • • • • Number of journal papers published: 141 Total number of citations: 4812 Number of talks given at international conferences: 488 Number of PhD’s: 58 Many awards including – 平成13年度仁科記念賞 • 「B中間子におけるCP対称性の破れの発見」 高崎史彦、生出勝宣 – 2004 Winson Prize : Katsunobu Oide – 高エネルギー物理学若手奨励賞 （次ページ） 27 高エネルギー物理学若手奨励賞 受賞者リス ト • 第1回 (1999年度)： 石井 恒次、 渡川 和晃 • 第2回 (2000年度)： 石野 宏和、 越智 敦彦 • 第3回 (2001年度)： 丸山 和純、 戸本 誠 • 第4回 (2002年度)： 阪井 寛志、 横山 将志 • 第5回 (2003年度)： 岩本 敏幸、 中平 武 • 第6回 (2004年度)： 角野 秀一、 福田 将史 • 第7回 (2005年度)： 加藤 一成、 三宅 秀樹 28 これまでのBelleの主な成果（記者会見ネタ） Observation of b g d g and Determination of |Vtd/Vts| hep-ex/0506079 Evidence for Direct CP Violation in B0 g K+- Decays PRL 93, 191802 (2004) Observation of Large CP Violation and Evidence for Direct CP Violation in B0 g +- Decays PRL 93, 021601 (2003) Observation of a new narrow charmonium state in exclusive B+ g K+ +-J/ decays PRL 91, 262001 (2003) Measurement of Time-Dependent CP-Violating Asymmetries in B0 fKS0, K+K-KS0 and h’KS0 Decays PRL 91, 261602 (2003) Observation of the Decay BK l+ lPRL 88, 021801 (2002) Observation of Large CP Violation in the Neutral B Meson System PRL 87, 091802 (2001) 78fb-1 29.1fb-1 357fb-1 253fb-1 140fb-1 これまでのBelleの主な成果（記者会見ネタ） 357fb-1 253fb-1 Measurement of Time-Dependent CP-Violating Asymmetries in B0 fKS0, K+K-KS0 and h’KS0 Decays PRL 91, 261602 (2003) 78fb-1 Observation of Large CP Violation in the Neutral B Meson System PRL 87, 091802 (2001) 29.1fb-1 140fb-1 Outline • TCPV: 実験装置と測定方法 • B0 g J/ Ks（とその仲間）のTDCPV • B0 g f Ks（とその仲間）のTDCPV 31 まずはこれを理解することにつ きる TCPV is 32 高エネルギー加速器研究機構（KEK） （つくば市大穂１－１） http://www.kek.jp/ 電子・陽電子衝突装置 KEK Bファクトリー 日本で一番大きな加速器。世界で一番性能のいい装置。 ~1km 33 KEKB加速器（1999年より稼動） 電場により、電子のエネルギーは８０億電子ボルト（8GeV)、陽電子は３５億電子ボ ルト(3.5GeV)になるよう加速する。磁場により、電子と陽電子をうまく誘導し、衝突 させる。 Belle 測定器 非対称エネルギー 直径約1キロメートル 陽電子リング 電子リング 34 KEKB加速器の反粒子生成装置 電子銃 まっすぐな加速器 で電子を加速 e （薄膜の原子核） X e- e- e- 電子で薄膜をたたき 陽電子を生成 35 KEKB 衝突バンチの様子 リングコライダーで世界最 小のビームサイズ 平面交差角1.3度 電子500億個 すごい量の反物質 陽電子700億個 各バンチは1秒間に10万回衝突 高さ2.3 mm 各リングに1284バンチずつ蓄積 長さ7 mm 36 Belle検出器 general-purpose 4 (アクセプタンス92%） spectrometer 37 Belle検出器 高い検出効率で、粒子の種類を識別し、 運動量やエネルギーを高精度で測定 38 Belle 検出器 g, 0 reconstruction e+-, KL identification Electromagnetic Calorimeter CsI(Tl) 16X0 K/ separation Aerogel Cherenkov Counter n = 1.015~1.030 3.5 GeV e+ TOF counter K/ separation 8.0 GeV e- B vertex Si Vertex Detector 4-layer DSSD charged particle tracking Central Drift Chamber momentum, dE/dx 50-layers + He/C2H6 Muon / KL identification KL m detector 14/15 layer RPC+Fe シリコンバーテックス検出器 （SVD) 6+12+18+18 = 54 ladders 合計ｌ １１０５９２ 読み出しストリップ 40 主飛跡検出器(CDC) • 良い運動量分解能 – チェンバー内の物質の低減 Pt / Pt (%) CDC only :~ 0.28Pt 0.35 / % • ヘリウムを主体としたガス • 金メッキ無のアルミワイヤー • 粒子識別情報の提供 • トリガーシグナルの生成 CDC SVD :~ 0.19 Pt 0.30 / % Transverse Momentum(GeV/c) log10P(GeV/c) 41 Mass Resolution J/ m+m- B-D0- =9.6MeV/c2 K-+ 1 = 4.8MeV/c2(66%) 2 = 12.3MeV/c2(34%) J/ e+e-(g) =10.7MeV/c2 MK(GeV/c2) Mll (GeV/c2) 42 エアロジェル チェレンコフ検出器 粒子識別 飛行時間検出器 100 ps time resolution 4cm(T)x6cm(W)x255cm(L) TOF = 100 ps パイ中間子 なにも要求しない場合 K中間子 光検出器 K fKK p 光検出器 Kであることを要求した場合 チェレンコフ光が発生 エアロジェル 屈折率1.01~1.03 動作原理 Mass = p2 ( 1/ 2 – 1 ) = Lpath / TTOF = p / E Lpath : path length TTOF : Time Of Flight 43 カロリメータ 8736 CsI(Tl) cyrstals ~ 43t Barrel 6624 Forward Endcap 1152 Barrel Endcap 960 44 Detection of Muons and Neutral KL mesons (KLM) • Muons penetrate thick material. • Neutral KL produce charged tracks via hadron showers. • A sandwich of iron plates and tracking detectors. • Requirement on position resolution is modest (∼ 1cm). 45 一日１ＴＢの生データを収集 物理解析は５５大学・研究所で e+e- Bo Bo Super-SINETは既にＢｅｌｌｅネットワーク の大動脈となった！ 東北大理学部 ~ 1TB/day（予定） 400 GB/day ~45 Mbps 筑波実験室 Belle測定器 NFS 10Gbps 阪大理学部 韓国 米国 台湾 など 名大理学部 1TB/day ~100Mbps 170 GB/day KEK計算 科学センタ 東大理学部 東工大理学部 46 Belle実験参加グループ 科学は国境を越える Aomori U. BINP Chiba U. Chonnam Nat’l U. U. of Cincinnati Ewha Womans U. Frankfurt U. Gyeongsang Nat’l U. U. of Hawaii Hiroshima Tech. IHEP, Beijing IHEP, Moscow IHEP, Vienna ITEP Kanagawa U. KEK Korea U. Krakow Inst. of Nucl. Phys. Kyoto U. Kyungpook Nat’l U. EPF Lausanne Jozef Stefan Inst. / U. of Ljubljana / U. of Maribor U. of Melbourne Nagoya U. Nara Women’s U. National Central U. Nat’l Kaoshiung Normal U. National Taiwan U. National United U. Nihon Dental College Niigata U. Osaka U. Osaka City U. Panjab U. Peking U. U. of Pittsburgh Princeton U. Riken Saga U. USTC Seoul National U. Shinshu U. Sungkyunkwan U. U. of Sydney Tata Institute Toho U. Tohoku U. Tohuku Gakuin U. U. of Tokyo Tokyo Inst. of Tech. Tokyo Metropolitan U. Tokyo U. of Agri. and Tech. Toyama Nat’l College U. of Tsukuba Utkal U. VPI Yonsei U. 13カ国57機関, 約400人の研究者 47 もう一つのBファクトリー KEK SLAC PEPIIコライダーとBaBar実験 48 The BaBar detector Instrumented Flux Return BABAR layout 19 layers of RPCs Cherenkov Detector (DIRC) 1.5 T Solenoid Drift Chamber 40 layers (24 stereo) 144 synthetic fused silica bars ~11 000 PMTs e+ (3.1 GeV) e– (9.0 GeV) Electromagnetic Calorimeter 6 580 CsI crystals Silicon Vertex Detector 5 layers of double sided silicon strips 49 積分ルミノシティ KEKBは世界一！ KEKB 467fb-1 (logged) PEP-II 約10%のデータはsを60MeV下げて取り(off-resonance data)、background studyに使用 50 KEKB：記録への挑戦 World-record Peak Luminosity 1.581034 cm-2 s-1 World-record Daily Luminosity 1178 /pb/day デザインルミノシティ 51 生成断面積 • e+e- g e+e- (Bhabha) large cross section g m m~1 nb g tt~1 nb g qq (q=u,d,s,c) ~3 nb g Y(4s) g B0B0 g B+B- ~0.5 nb 足して ~0.5 nb ~1 nb 備考1 ~87/s nb 2 Bhabhaは間引いて記録、ルミノシティ測定に使用 52 + ee g + ee (Bhabha) 53 + ee g tt 54 _ BB事象 55 KEK BファクトリーでのB中間子生成 _ ~50% e+(3.5GeV) e-(8GeV) g (4s) g B0B0 ウプシロン 10.58 GeV/c2 B0中間子 b d ダウン 反ボトム 寿命 t(B0) = 1.537 ps 質量 M(B0) = 5.279 GeV/c2 B0中間子 b d _ BB threshold 反ダウン ボトム (4s)の生成レート：1秒間に中性B中間子対を約5ペア 年間約１億個の中性B中間子:B0とB0が同数生成される （ほぼ同数の荷電B中間子対B+B-も生成される） 電子・陽電子衝突で出来たB中間子と 反B中間子ペアの例 側面図（衝突点付近） e- e+ 57 電子 陽電子 B B g = 0.425 (Belle) 0.56 (BaBar) z ~ 200mm (Belle) t z g c 崩壊時間差が測れる！ まずはこれを理解することにつ きる TCPV is 59 Bファクトリーでは、かならずB中間子をペア で作ることがわかったが、ここからしばらくは、 一つのB中間子だけがある場合を考えよう。 小林益川理論と三田の提案のエッセンスを 見ていこう。 小林益川の６クォークモデル 標準模型の弱い相互作用では、 g m quark mass eigenstates differ ( u L , c L , t L )g W m V CKM 2 from weak mass eigenstates Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) quark mixing matrix 例） b Vcb w c V CKM V ud V cd V td 0.9741 to 0.9756 0.219 to 0.226 0.004 to 0.014 V us V cs V ts dL s L h .c . b L V ub V cb V tb 0.219 to 0.226 0.9732 to 0.9748 0.037 to 0.044 0.0025 to 0.0048 0.038 to 0.044 0.9990 to 0.9993 謎の階層構造 61 小林益川理論とCPの破れ ~0.2 A~1 4 independent parameters irreducible complex phase CP Violation ! 62 Normalized Unitarity Triangle V CKM V CKM 1 0 0 0 1 0 __ (r, h) 0 0 1 Normalized with |VcdVcb*| r = r(1-2/2) f2(a) h = h(1-2/2) f3(g) f () 1 (0,0) A3 (0,1) In particular, Vtd = |Vtd|exp(-if1) Vub = |Vub|exp(-if3) 63 問題 • Semileptonic decay B0 D-e+nの崩壊分岐比は？ – 答え： およそ1/9 （測定値 10.5 0.8 %) • ミューオンの質量を0.1GeV、寿命を2msとする。bクォークの質量 を5GeVとすると、B0の寿命は？ ただし、カビボファクターは =0.2とする。 – 答え： およそ1.4 ps (測定値 1.532 0.009 ps) 64 三田のモード（Gold-plated mode) 中性B中間子がJ/KSに崩 壊 b c J/ B0中間子 d d B0中間子 b c s d KS d s c c KS J/ どちらからでもいける。 おかしいと思う人は 質問すること。 65 B中間子混合 出来た瞬間は、フレーバーの固有状態 BB00中間子 中間子 d ダウン b ボトム 反ダウン 反ボトム 混合のダイアグラム (box diagram) 大きな混合は、トップクォークの 質量が他のクォークより飛びぬ けて大きいから b t d d t b Time-dependent CP violation “double-slit experiment” with particles and antiparticles tree diagram b d c c s d J/ + KS box diagram + tree diagram Vtd b t d d t b d s c c KS J/ V*td 二つのダイアグラムの量子干渉(Quantum magic !) 67 B中間子系の時間に依存する「巨大な」CPの破れ (Time-dependent CP Violation: TCPV) 三田、Bigi、Carter (1981) CP CP非対称度、K中間子の100倍程度を予言！ 68 Appropriate BB Mixing ! sinmt = 1 Maximal CP at 3.3 ps 0 B Lifetime = 1.5 ps Large enough and small enough (It is a miracle to me.) 69 ２個のB中間子 • １粒子の2状態系 g coherentな2粒子系 _ _ Y(4s) は C = -1, B0B0, B0B0 は一方のBが崩壊するまで禁止 70 Bファクトリーの２つのB中間子系 出来た瞬間は、フレーバーの固有状態 0中間子 BB0中間子 d bb ダウン 反ダウン 反ボトム ボトム BB00中間子 中間子 b d 反ダウン ダウン 反ボトム ボトム Bファクトリーの２つのB中間子系 出来た瞬間は、フレーバーの固有状態 B0中間子 b d ダウン 反ボトム 片方がフレーバーの固有状態に 壊れた瞬間、もう片方のフレーバー は定まっている。 これを、一つのB中間子が 「出来た瞬間」と再定義してやれば よい。 Principle of TCPV measurement CP-side (4S) electron resonance (8GeV) positron (3.5GeV) m+ J/ m B1 KS/L B2 g = 0.425 (Belle) 0.56 (BaBar) 1. Fully reconstruct one B-meson which decays to CP eigenstate Principle of TCPV measurement CP-side (4S) electron resonance (8GeV) positron (3.5GeV) _ B0 B1 B0 B2 nm g = 0.425 (Belle) z g c KS/L 0 D + K - 0.56 (BaBar) t m+ J/ m z ~ 200mm (Belle) m+ Flavor tag and vertex reconstruction 1. Fully reconstruct one B-meson which decays to CP eigenstate 2. Tag-side determines its flavor 3. Proper time (t) is measured from decay-vertex difference (z) t < 0 は？ • t < 0のとき、すなわち、先に B0 g J/Ksが 起きたとき、その瞬間、反対側は、CP eigenstate ! (CP tagという） • そのあとの時間発展を計算してやると、あた かもフレーバーが入れ替わったのと同じよう に見える。 （二つの時間変数t1, t2を使って直接計算しても、同じ答え。） 75 B中間子系の時間に依存する「巨大な」CPの破れ (Time-dependent CP Violation: TCPV) 三田、Bigi、Carter (1981) CP CP非対称度、K中間子の100倍程度を予言！ 76 S = 0.65 B0 tag _ B0 tag P ( q 1, t 1 4t B0 tag _ B0 tag - e t t (1 - 2 w ) 1 ( S sin m t ) R R : detector time resolution w : wrong tag fraction (misidentification of flavor) (1-2w) quality of flavor tagging They are well determined by using control sample D*ln, D(*) etc… 77 まずはこれを理解することにつ きる TCPV is わかった（気がした）？ 78 クォークと反クォークの「二重スリット」実験 クォークと反クォークの法則には、大きな虚数が必要かどうか確かめる tree diagram b d c c s d J/ Belle検出器 KS d s c c KS J/ d b ダウン 反ボトム b t d d t b _ B0とB0で異なる量子干渉 CP対称性の破 Backup Slides 半導体検出器の仕組み 空乏層 － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ Ｐ型半導体 － アクセプタ 正孔 Ｎ型半導体 + ドナー 電子 逆バイアス 81 両面シリコンストリップ検出器 （DSSD） 82 ＳＶＤ部分構造 R-f ストリップ幅 ~50mm Z ストリップ幅 ~75mm VA1TA 83 Wire Configuration • Active region – R= 88mm : inner most sense wire – R=863mm : outer most sense wire • Wires – 30mmf Au-W for sense wire – 126mmf Al for field wire • Square cells – 16mm(r)X~18mm(rf) • 6(axial)+5(stereo) super layers – 50 layers in total • Readout channels – 8400 for sense wires – 1792 for cathode strips 84 X-T Curve • • • • He(50%)-C2H6(50%) B=1.5Tesla HV : 2.3KV Cell Size:18mm • Maximum Drift Time : ~400nsec 85