Transcript ppt - Belle II

B ファクトリー
と
フレーバ物理の歩み
名古屋大学 大島 隆義
PowerPoints from
山内、羽澄、幅、飯嶋プレゼン
Prologue
Bファクトリー
標準理論最後の未解決課題 CPV への挑戦
Higgs
小林・益川
CP位相
Neutrino mass (Oscillation)
たった二つのCPV反応
K0中間子崩壊
1964 Cronin & Fitch
1973 Kobayashi & Maskawa
と
B0中間子崩壊
1930 Pauli
Chapter 1
●
CP
=
粒子世界 ⇔ 反粒子世界
Dirac方程式

(i    m )   0
粒子  ○ 
 
△ 
  
▽
 
◎ 
反粒子  
KEK BファクトリーでのB中間子生成
_
B0B0
ウプシロン 10.58 GeV/c2
e+(3.5GeV)
e(8GeV)
g (4s) g
B0中間子
d
b
ダウン
反ボトム
寿命 t(B0) = 1.537 ps
質量 M(B0) = 5.279 GeV/c2
~50%
B0中間子
b
d
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）
elemag
strong
weak
ga
e
GF
C
P
CP
T
CPT
EleMag ○
○
○
○
○
Strong
○
○
○
○
○
Weak
×
×
×
×
○
●相互作用
と KM行列 （CP位相とUnitarity）
d
u
d'
B 物理においては、
top mass
b'
b
t
の異常な重さが
本質的に重要な役目
を果たす
質量固有状態
s c
フレーバ固有状態
s'
Euler angle
ただし、
３次元複素空間
波動関数は複素関数
⇒実空間と虚数空間の回転
●相互作用
と KM行列 （CP位相とUnitarity）
Euler angle
imag
ただし、
３次元複素空間
f
real
波動関数は複素関数
⇒実空間と虚数空間の回転
Kobayashi-Maskawa (1973)
KM
 d '   V ud V usV ub
  
s'  V V V
   cd cs cb
 b '  V V V
   td ts tb
Flavor
eigenstate
CKM
d

s

b






Mass
eigenstate
3X3 unitarity triangle has
3 rotational angles and
one comlex phase.
CPV
Mixing ⇒ Flavor changing
u
d(s,b) V*ud(s,b)
W
u 
 
d 
c 
 
s
－
t 
 
b 
Mixingがなければ ⇒ Family (UP⇔DOWN)間の遷移のみ。
⇒ 自然はシンプル（原理的に）、かつもっと豊富（現象的に）。
Mixing（原理的に複雑）のせいで ⇒ 自然は単純（原理的、現象的）に。
The Unitarity Triangle
 V ud V usV ub

V V V
 cd cs cb
V V V
 td ts tb





 KM
unitarity
2

1 
2





3
 A  (1    i )

1 
A  (   i ) 


2
4
A
   ( 

1

Wolfenstein

3
2
 A
2
2
V ud V ub  V cd V cb  V td V tb  0
*
*

*
2

 
 ( )   1 
  ( )
2


B   , 
B  Xu 
B-B mixing
V ud V
V cd V
B  DK

*
ub
*
cb
f2
f3
V td V
V cd V
*
tb
*
cb
B  J / K S
f1

1
9
Time-dependent CP violation in B decays
including direct CP violation
2004/05/14
羽澄昌史 （KEK)
於 北海道大学
10
●中間子の重ね合わせ
と
振動
（Beauty Oscillation ）
質量固有状態
  0 e-iMt
B0
質量固有状態 と フレーバ固有状態
粒子の状態空間
BH
MH
ML
1
B0 ( BH+BL ) ,
2p
e-iMHt
波の重ね合わせ
B0
B0 1 ( BH-BL ) ,
2q
複素空間での回転（±f）
q
p ~ exp(-if)  exp(-2iftd)
f
 １
e-iMLt
BL
共通振動数
減衰項
B0 (t) = e–iMt eB0
(t) = -i
e–iMt
B0
うなり項
G
2
cos DM t B0(0) – i (e-2iftd) sin
t
2
G
e- 2 t
sin
e2iftd
2
波の重ね合わせ
2
t B0(0)
t B0(0) + i (e-2iftd) cos DM t B0(0)
DM = MH - ML ,
M = ( MH + ML )/2
右回転
e-2iftd
DM
DM
2
左回転
B0
e-2iftd
B0 (t)
B0
B0
B0 (t)
Beauty oscillation
t
b
B
0
e-iftd
W
d0

W
d
t
e+iftd
t
b
0
B
W

d
e+iftd
0
b
e-iftd
B
B

W
t

d0
B
B
0
b
13
B0B0 mixing
Dilepton events
1.1 < Pcms <2.3 GeV/c
-0.8<cosqcms<0.95
A(DZ) =(Nos-Nss)/(Nos+Nss)
DZ taken as distance of two decay
Vertecies
D m d  0 . 503  0 . 008  0 . 010 ps
f  f 0  1 . 01  0 . 03  0 . 09
PDG2002
Dm = 0.489±0.008 ps-1
-1
Chapter ２
HighLight-1
従来の加速器を超えるKEKB
世界最高のルミノシティーを達成！
わが国の加速器研究者の能力
未知への挑戦
KEKB Collider
Mt. Tsukuba
KEKB
Belle
~1 km in diameter
Lpeak = 1.39 x 1034 sec-1cm-2
@ 1.2A x 1.6A
253 fb-1 on Y(4S)
275M BB
~287 fb-1
28 fb-1 below Y(4S)
8 GeV e- x 3.5 GeV e+
11mrad crossing
Luminosiry
KEKB
+
PEP-II
KEKB
PEP-II
HighLight-２
非対称衝突加速器
量子力学とハイテクのDetector/ Belle
tagging法
時間差Dt
(4s) = (B0B0-B0B0) QMの非局所性
B0（B0 ）の振動oscillation
と干渉interference
Method to study CPV
l+
Produce B and B by
e-e+ collision
lB0
Detect
BJ/ Ks
J/
KS
e+(3.5GeV)
e-(8.0GeV)
B00
B flavor tagging
l-
Kt=0
Measure
time-dependence
Asymmetric collision w/ high luminosity
Detector w/ good vertex & particle id. capability
20
Belle Detector
Aerogel Cherenkov cnt.
n=1.015~1.030
SC solenoid
1.5T
3.5GeV e
CsI(Tl) 16X0
TOF counter
8GeV e
Tracking + dE/dx
small cell + He/C2H5
Si vtx. det.
3 lyr. DSSD
 / KL detection
14/15 lyr. RPC+Fe
シリコンバーテックス検出器（SVD)
May 14, 2004
Seminar on Physics at KEK B Factory
Masashi Hazumi (KEK)
22
Belle Collaboration
Aomori U.
BINP
Chiba U. ww w w
w
w
w
Chuo U.
U. of Cincinnati
Frankfurt U.
w
Gyeongsang Nat’l U.
w w
Hiroshima Tech.
IHEP, Beijing
ITEP
Kanagawa U.
KEK
Korea U.
Krakow Inst. of Nucl. Phys.
Kyoto U.
Kyungpook National U.
U. of Lausanne
Jozef Stefan Inst.
U. of Maribor
U. of Melbourne
Nagoya U.
Nara Women’s U.
National Central U.
w w ww
ww
Nat’l w
Kaoshiung
Normal U.
w
Nat’l
w Lien-Ho Inst. of Tech.
w
Nat’l Taiwan U.
Nihon Dental College
Niigata U.
Osaka U.
Osaka City U.
Panjab U.
w
w
Peking U.
Princeton U.
Riken
Saga U.
USTC
Seoul National U.
Sungkyunkwan U.
U. of Sydney
Tata Institute
w
w
w
Toho U.
Tohoku U.
Tohuku Gakuin U.
U. of Tokyo
Tokyo Inst. of Tech.
Tokyo Metropolitan U.
Tokyo U. of A and T.
Toyama Nat’l College
U. of Tsukuba
Utkal U.
IHEP, Vienna
VPI
Yokkaichi U.
Yonsei U.
Chapter 3
HighLight-３
K中間子以外での
Large CPV （B0→J/+KS) の検出
Mixing CPV
小林・益川 ＆ 三田
の予想を確証
The Golden Decay
B  J / K S
0
B  J / K S
0
• Tree
b
B
W
0
c J /
c

s
d
•
Box + Tree
B
0
0
t
W
d
KS
B  B  J / K S
b
0
d

W
t
d
d0

B
s
W

b
KS
c
J /
c
～位相なし
25
｜B0 (t)→ｆ＞ =
k
｜B0 (0)→ｆ＞ cos
｜B0 (t)→ｆ＞ = -ik e2iftd｜B0 (0)→ｆ＞ sin
k
2
DM
2
G
= e-iMt- 2 t
P(B0 →f；ｔ) = e-Gt
1 – sin(2ftd) sin(DMt)
P(B0 →f；ｔ) = e-Gt
1 + sin(2ftd) sin(DMt)
Asymmetry =
DM
t – i (e-2iftd) sin
t + i (e-2iftd) cos
, R=
DM
2
DM
2
t R
t R
｜B0 (0)→ｆ＞
｜B0
(0)→ｆ＞
For B0→J/+KS
P(B0 →f；ｔ) - P(B0 →f；ｔ)
P(B0 →f；ｔ) + P(B0 →f；ｔ)
= sin(2ftd) sin(DMt)
=1
Sub decay modes
cc1,cc2J/
+
J/
+-
s=7.0
MeV/c2
s=9.6MeV
/c2
cc
1
J/
e+e-()
cc
’
2
s=10.7MeV
/c2
0
sM=4.1 MeV/c2
Mll (GeV/c2) ’+,e+es=12.1
2
MeV/c
Mll
(GeV/c2)
M(KS+-)
(GeV/c2)
Mll-Mll
(GeV/c2)
sM=9.3 MeV/c2
in inclusive J/ events
M(K 00) (GeV/c2)
: 140/fb
HighLight-４
Direct CPV （B→) の検出
Direct CPV
K0中間子 Re(e’/e) ～２ｘ１０－３
KM理論と標準理論の確証
Other fCP
B0 g +
Tree
AD =
+- : 231.4
K : 83.3
qq : 168.3
total : 483
+
Penguin
140fb1
0.86 < LR
High quality
Polution??
1529 candidates (801 B0- and 728 B0-tags)
containing (372  32  signal events
Decay rate with direct CP violation
0
P ( B  f CP ; D t ) 
P ( B  f CP ; D t ) 
0
e
 | D t | /τ
B
0
{1  [ S sin( Δ m d D t )  A cos( Δ m d D t )]}
4τ B0
e
 | D t | /τ
4τ B0
B
0
{1  [ S sin( Δ m d D t )  A cos( Δ m d D t )]}
C  A is also used
ex)
May 14, 2004
Seminar on Physics at KEK B Factory
Masashi Hazumi (KEK)
31
2007
2004
2003
2002
200
5 2005
Asym. in B0 →J/ + K0
Asym. in B0 →+-
HighLight-５
多面的に攻略
CP三角形は？
多面的（多数の崩壊モード）探究が可能
他の崩壊様式の図
te (LFV
s(→) measurement
in two photon process
tfK
New resonance
Z(4430)
t (LFV
Future prospect of
LFV t decay
Highly Cost Effictive
Variety of Physics Outputs
Chapter ４
まとめ
１．KEKB/Belle は大戦果
● 世界最強度の加速器
● CP現象の検出
わが国の加速器素粒子実験（加速器＆実験）
の集大成。
INS（核研）；KEK-PS; TRISTAN
TRISTAN
(1981-1998)
INS(1956-1997)
PS(1971-2004)
２．
わが国理論＆実験研究者
の歴史的成果
● 小林・益川
三田
● Belle
３． 現象論的研究から 本質論（物理論）へ
● 標準理論とCPV
SM → Higgs（SSB) → CPV
B物理、特に、 CPVはtop-quarkのズバ抜けた重さ が
GIM mechanismのバランス（ GIM suppression）を崩し、
boxやpenguin diagramの寄与を大きく全面に押し出す。
その結果が、CPVやFlavour Changing Neutral Current
(FCNC)のrare decayの著しいenhancement である。
Higgsが、その現象の底辺を構成する。
本来は、Higgs-Gauge boson,
Fermion- Gauge boson相互作用部はCP対称に構成され、
Higgs-fermionの相互作用部がCP非対称である。
それが質量問題、つまり、
Spontaneous Symmetry Breaking (SSB)を介し、
対称性の破れがFermion-Gauge boson部へ
転位する。
Fermions
Higgs scalars
Gauge bosons
Fermions – Gauge bosons
P変換： left-handedとright-handedの相互作用が異なる。
C変換： vectorとaxial vector相互作用が対称性を破る。
しかし、
CP反転ではvectorもaxial vectorも同じように変換。
CP不変。
Gauge bosons - Higgs
PもCも、したがって、CPでも対称。
Fermions – Higgs
Higgsによるscalarとpseudoscalar相互作用のmixのため、
PもCもCPも破る。
つまり、
すべてのCP violation はfとHの相互作用に起因！
Fermions-Higgs
SSBのもとで、L(f, H)もfermionsに質量を与える。
,
＝quark mass matrix （真空期待値とquark-Higgsの結合常数に依存）。
L(f, H)は、Dirac mass term項に変身。
質量固有状態に対角化
unitary変換を
,
L(f, H)は、PもCもCPもすべて保存する！
Non-physical quark場がphysicalなquark場に。
L(f,G)がしわ寄せを受ける。
その結果が、charged currentでのP、C、CP violation。
いわゆる、小林・益川行列quark mixing matrix Vは、
V=ULU’
+
L
３． 現象論的研究から 本質論（物理論）へ
Nature
●
自然界は対称。
非対称が自然！
Natural
位相が一致
位相が反対
CP mirror
CP Conserved
CP mirror
CP Violated
CP mirror
Direct CPV
＋ －
B→ 
(a)
(b)
＋ －
B→ 
Direct CPV
Direct+Mixing CPV
CPV源 ＝ CP変換で位相が反転！
J
= (u c t)

(1-5)
2
d
s
b
Bファクトリーは
KM理論を確証した！
Nature
d
d'
Natural
①３次元複素空間の回転
②実数部と虚数部（２次元複素面）
s
の回転角（CP phase）
③P変換で右手系→左手系へ ＝
CP phaseは方向を変える。
b'
b
s'
CP三角形は
Higgsの自発的対称性の破れと同じ？
すべてが相関！
Higgs
フレーバーの質量
（なぜ、クォークは我々の知る値をもつか）
（自発的対称性の破れ）
Belleの成果を如何に
継承、展開するか？
柳の下に
二匹目のドジョウがいるか？