B - 高エネルギー物理学研究室

KEKB ファクトリーと B の物理
中尾幹彦 (KEK 素核研)
[email protected]
2004 年 5 月 20 日
京都大学
p.2
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
— 目次 —
Introduction — B physics の動機と役割
Belle — 検出器と CP の測定
ユニタリティ三角形を決める
ペンギン崩壊と新物理の探索
B physics の将来 — SuperB は superb?
p.2
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
— 目次 —
Introduction — B physics の動機と役割
Belle — 検出器と CP の測定
ユニタリティ三角形を決める
ペンギン崩壊と新物理の探索
B physics の将来 — SuperB は superb?
p.3
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
γ
H
W
Z
g
e µ τ
νe νµ ντ
u c t
d s bb
物理法則の根本
6 種のクォーク
6 種のレプトン
4 種類の力
さまざまな対称性
そして対称性の破れ
素粒子物理の歴史は、新粒子の発見、対称性とその破れの発見の歴史
B ファクトリーはクォークを調べる宝庫
(すべてのクォークが登場する)
p.4
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
1960s 1963 年クォーク理論 (Gell-mann, Zweig)
1964 年 K 中間子の CP 非保存の発見 (Fitch, Cronin)
p.4
1960s 1963 年クォーク理論 (Gell-mann, Zweig)
1964 年 K 中間子の CP 非保存の発見 (Fitch, Cronin)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
1967 年宇宙創世における CP 非保存の役割 (Sakharov)
1970s 1973 年小林益川の 6 クォークモデルと CP の破れ
p.4
1960s 1963 年クォーク理論 (Gell-mann, Zweig)
1964 年 K 中間子の CP 非保存の発見 (Fitch, Cronin)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
1967 年宇宙創世における CP 非保存の役割 (Sakharov)
1970s 1973 年小林益川の 6 クォークモデルと CP の破れ
1974 年チャームクォークの発見 (Ting, Richter 他)
1980s
1979 年ボトムクォークの発見 (Lederman 他)
1981 年中性 B 中間子に大きな CP の破れの可能性 (三田, Bigi)
1987 年中性 B 中間子における (大きな) 混合の発見 (ARGUS)
1990s
1995 年トップクォークの発見 (CDF, D0)
1999 年 K 中間子の直接的な CP 非保存の発見 (KTeV, NA48)
2000s 2001 年 B 中間子の CP 非保存の発見 (Belle, BaBar)
p.5
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
標準理論 (SM) での
クォーク間の弱い相互作用
 
 dL 
 
g
µ +
− √ uL, cL, tL γ Wµ VCKM  sL  + h.c.
 
2
bL

 Vud Vus Vub


Cabibbo-小林-益川 (CKM) の

クォーク混合行列
VCKM =  Vcd Vcs Vcb


Vtd Vts Vtb








VCKM は 3 × 3 ユニタリティー行列 ⇒ 3 つの実数と 1 つの複素位相 φ
iφ iδ CP
−iφ iδ
相互作用の振幅: |A|e e −→ |A|e
e (複素振幅の非保存 )
!
X → Y + Z: A = |A|eiφ eiδ ⇒ Γ = |A|2
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
CP
X → Y + Z: A = |A|e−iφ eiδ Γ = |A|2 (観測量として CP は保存)
p.6
X → Y + Z: A = |A|eiφ eiδ ⇒ Γ = |A|2
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
CP
X → Y + Z: A = |A|e−iφ eiδ Γ = |A|2 (観測量として CP は保存)
2 つの異なる振幅 A と A0 があれば、
iφ iδ
0 iφ0 iδ0
A = |A|e e + |A |e e
CP
−iφ iδ
0 −iφ0 iδ0
−→ A = |A|e e + |A |e e
p.6
X → Y + Z: A = |A|eiφ eiδ ⇒ Γ = |A|2
p.6
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
CP
X → Y + Z: A = |A|e−iφ eiδ Γ = |A|2 (観測量として CP は保存)
2 つの異なる振幅 A と A0 があれば、
iφ iδ
0 iφ0 iδ0
A = |A|e e + |A |e e
CP
−iφ iδ
0 −iφ0 iδ0
−→ A = |A|e e + |A |e e
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )+ sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
CP
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )− sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
Γ , Γ (観測量として CP が非保存)
p.6
X → Y + Z: A = |A|e−iφ eiδ Γ = |A|2 (観測量として CP は保存)
2 つの異なる振幅 A と A0 があれば、
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
iφ iδ
0 iφ0 iδ0
A = |A|e e + |A |e e
CP
−iφ iδ
0 −iφ0 iδ0
−→ A = |A|e e + |A |e e
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )+ sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
CP
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )− sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
Γ , Γ (観測量として CP が非保存)
ただし、
p.6
2 つの異なる振幅 A と A0 があれば、
iφ iδ
0 iφ0 iδ0
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
A = |A|e e + |A |e e
CP
−iφ iδ
0 −iφ0 iδ0
−→ A = |A|e e + |A |e e
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )+ sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
CP
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )− sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
Γ , Γ (観測量として CP が非保存)
ただし、
2 つの異なる weak 位相 (φ − φ0 , 0) の振幅があること
(標準理論: 異なる CKM 行列要素、あるいは新物理による位相)
2 つの異なる振幅 A と A0 があれば、
iφ iδ
0 iφ0 iδ0
A = |A|e e + |A |e e
p.6
CP
−iφ iδ
0 −iφ0 iδ0
−→ A = |A|e e + |A |e e
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )+ sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
CP
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )− sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
Γ , Γ (観測量として CP が非保存)
ただし、
2 つの異なる weak 位相 (φ − φ0 , 0) の振幅があること
(標準理論: 異なる CKM 行列要素、あるいは新物理による位相)
2 つの振幅に CP によらない位相差 (δ − δ0 , 0) があること
(強い相互作用によるもの、時間発展 (mixing) によるもの、…)
p.6
iφ iδ
0 iφ0 iδ0
A = |A|e e + |A |e e
CP
−iφ iδ
0 −iφ0 iδ0
−→ A = |A|e e + |A |e e
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )+ sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
CP
Γ = |A|2 + |A0 |2 + 2|AA0 |[cos(φ − φ0 ) cos(δ − δ0 )− sin(φ − φ0 ) sin(δ − δ0 )]
Γ , Γ (観測量として CP が非保存)
ただし、
2 つの異なる weak 位相 (φ − φ0 , 0) の振幅があること
(標準理論: 異なる CKM 行列要素、あるいは新物理による位相)
2 つの振幅に CP によらない位相差 (δ − δ0 , 0) があること
(強い相互作用によるもの、時間発展 (mixing) によるもの、…)
2 つの振幅が同程度の大きさ (|A| ∼ |A0 |) を持つこと
p.7
c
b
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B
d
*
0
Vcb
J/ψ, ψ’,...
c
s
Vcs
K
0
K
d
c
初期状態 B0 の J/ψK0 への崩壊 (Golden mode)
0
p.7
c
b
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B
d
*
0
Vcb
J/ψ, ψ’,...
c
s
Vcs
K
d
Vtb t
b
0
B
d
0
*
Vtd
B
*
Vtd t
*
Vcd
d
0
b Vcb
*
Vcs
c Vcs
K
s
*
Vcs c Vcd
Vtb
c
c
s
J/ψ, ψ’,...
初期状態 B0 の J/ψK0 への崩壊 (Golden mode)
時間 t , 0 では、mixing 経由の振幅 (CP に依らない位相 ∆m∆t)
d
0
p.7
c
J/ψ, ψ’,...
c
*
d
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B
b
*
Vtd t Vtb
*
b Vcb
0
*
Vtb t Vtd
d
s
Vcs
K
d
Vcd
0
B
0
Vcb
b
*
Vcs
c Vcs
K
s
*
Vcs c Vcd
c
c
s
J/ψ, ψ’,...
初期状態 B0 の J/ψK0 への崩壊 (Golden mode)
時間 t , 0 では、mixing 経由の振幅 (CP に依らない位相 ∆m∆t)
∗
∗
2 つのダイアグラムの Weak phase の差は Vtd Vtb
, Vtd
Vtb
d
0
p.7
c
b
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B
d
*
0
Vcb
J/ψ, ψ’,...
c
s
Vcs
K
d
Vtb t
b
0
B
d
0
*
Vtd
B
*
Vtd t
*
Vcd
d
0
b Vcb
*
Vcs
c Vcs
K
s
*
Vcs c Vcd
Vtb
c
c
s
J/ψ, ψ’,...
初期状態 B0 の J/ψK0 への崩壊 (Golden mode)
時間 t , 0 では、mixing 経由の振幅 (CP に依らない位相 ∆m∆t)
∗
∗
2 つのダイアグラムの Weak phase の差は Vtd
Vtb , Vtd
Vtb
d
0
p.7
c
J/ψ, ψ’,...
c
*
Vcs c Vcd
b
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B
*
0
Vcb
Vcs
d
d
K
*
Vcd c Vcs
s
Vtb t
b
0
B
d
0
*
Vtd
d
B
*
Vtd t
0
b Vcb
*
K
Vcs
s
Vtb
c
c
J/ψ, ψ’,...
初期状態 B0 の J/ψK0 への崩壊 (Golden mode)
時間 t , 0 では、mixing 経由の振幅 (CP に依らない位相 ∆m∆t)
∗
∗
2 つのダイアグラムの Weak phase の差は Vtd
Vtb , Vtd
Vtb
終状態は K0 − K0 mixing により KS0 あるいは KL0
位相差 φ1 = π − arg
!
∗
Vtb Vtd
∗
Vcb
Vcd
が mixing の時間 t の関数で現れる
0
p.7
c
b
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B
*
0
Vcb
J/ψ, ψ’,...
c
s
Vcs
K
d
d
Vtb t
b
0
B
d
0
*
Vtd
B
*
Vtd t
*
Vcd
d
0
b Vcb
*
Vcs
c Vcs
K
s
*
Vcs c Vcd
Vtb
c
c
J/ψ, ψ’,...
初期状態 B0 の J/ψK0 への崩壊 (Golden mode)
時間 t , 0 では、mixing 経由の振幅 (CP に依らない位相 ∆m∆t)
∗
∗
2 つのダイアグラムの Weak phase の差は Vtd
Vtb , Vtd
Vtb
終状態は K0 − K0 mixing により KS0 あるいは KL0
位相差 φ1 = π − arg
!
∗
Vtb Vtd
∗
Vcb
Vcd
s
が mixing の時間 t の関数で現れる
d
0
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
p.8
ARGUS による BB mixing の発見 (1987)
⇒ ∆m = (0.472 ± 0.017) ps−1 (現在)
3.3 ps で CPV が最大 (sin ∆mt = 1)
B Lifetime 1.54 ps のたかだか 2 倍 (cτ = 0.46 mm)
O(1) の CPV が可能! — 奇跡的?
KL0 K0L : max. CP at 0.03 ps, τ = 500 ps ⇒ O(10−3 ) CPV
D0 D0 : 測定にかからない位小さいし、不定性も多い
sin 2φ1=0.75
0.3
-1
∆md=0.489 ps
0.25
No ∆t smearing
CP
B0→J/ψK0S
No flavor dilution
0.2
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B0 → J/ψKS0
(1/N)(dN/d∆t)
(1/N)(dN/d∆t)
p.9
B0 → J/ψKS0
-1
∆md=0.489 ps
0.25
0.15
0.1
0.1
0.05
0.05
-8
-6
No ∆t smearing
No flavor dilution
0.2
0.15
0
sin 2φ1=0.75
0.3
-4
-2
0
2
4
6
0
8
B →J/ψKS
0
-8
-6
-4
-2
0
0
∆t (ps)
e
−|∆t|/τ
ACP =
h
1 − sin 2φ1 sin(∆m∆t)
2
4
6
8
∆t (ps)
i
e
−|∆t|/τ
h
1 + sin 2φ1 sin(∆m∆t)
(∆t = 0 は B0 (B0 ) のフレーバー確定時刻)
Γ(B0 (t) → J/ψKS0 ) − Γ(B0 (t) → J/ψKS0 )
Γ(B0 (t) → J/ψKS0 ) + Γ(B0 (t) → J/ψKS0 )
i
= sin 2φ1 sin(∆m∆t)
p.10
VCKM



= 

λ2
2
3
1−
λ
λ2
1− 2
−λ
Aλ3 (1 − ρ − iη) −Aλ2

Aλ (ρ − iη) 

2
 + O(λ4 )
Aλ


1
ユニタリティ条件 (VV † = 1) から
O(λ3 ) + O(λ3 ) + O(λ3 )
他の三角形はあまり有効でない…
∗ + V V∗ + V V∗ = 0
Vud Vus
cd cs
td ts
O(λ) + O(λ) + O(λ5 )
∗ + V V∗ + V V∗ = 0
Vus Vub
cs cb
ts tb
O(λ5 ) + O(λ2 ) + O(λ2 )
φ2
Vt *V
b
b u
d
∗ + V V∗ + V V∗ = 0
Vud Vub
cd cb
td tb
Vu *V
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Wolfenstein parametrization, λ ∼ 0.2, A ∼ ρ ∼ η ∼ O(1)
φ3
td
Non-zero area
= CP violation
φ1
Vcb*Vcd
p.11
B→πlν, ρlν,
B→Xulν, etc
φ2
Vt *V
b u
d
b
Vu *V
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B→ππ, ρπ, etc
φ3
B→DK,
B→Kπ, ππ, etc
∆m, B→ργ, etc
td
Non-zero area
= CP violation
φ1
Vcb*Vcd
B→D(*)ln
B→Xclν
すべての辺と角は B 崩壊で決められる
B→J/ψKS, etc
B→η’KS,
B→φKS, etc
p.12
Entries/ps
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
600
qξ f=+1
qξ f= − 1
400
200
0
-8
-6 ≤ -4
-2
0
δ t(ps)
2
4
6
sin 2φ1 =
0.733 ± 0.057 ± 0.028
(Belle 2003)
B で CP は破れている
8 小林益川は正しい
小林益川 (標準理論) のさらなる追求
CKM 以外の (non-SM) 複素位相はあるのか?
ユニタリティー角を 2 つ以上の方法で測り、比べる
三角形は閉じているか? (φ1 + φ2 + φ3 =?)
標準理論は世界を正しく予言してるか?
予言の確かな崩壊過程、直接 CP 非対称性、起こり得ないこと
を探す
標準理論を越える物理とその理解への手掛り
p.13
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
— 目次 —
Introduction — B physics の動機と役割
Belle — 検出器と CP の測定
ユニタリティ三角形を決める
ペンギン崩壊と新物理の探索
B physics の将来 — SuperB は superb?
p.14
e+ e−
→ Υ(4S) (11580 MeV)
→ BB (5279 MeV × 2)
B or B
K (flavor tag)
slow π
J/ψ
(e+e− / µ+µ−)
π
e+ (3.5 GeV)
ν
∆z measurement
∆t = ∆z / c β γ
ACP (∆t) = B − B
B+B
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
e− (8 GeV)
e/µ
KS (π+π−)
Experimetnal dilution
more B
more B
∆t = ∆z = 0
(1 − 2w) sin2φ1
No theoretical ambiguity
KEKB / Belle requirements
非対称エネルギー
崩壊点測定
レプトン識別
たくさんの B
精度良い運動量
K/π 識別
The Belle Collaboration
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
~400 physicists from 13 regions, 59 institutions
Aomori University
Budker Institute of Nuclear Physics
Chiba University
Chonnan National University
Chuo University
University of Cincinnati
Ehwa Womens University
University of Frankfurt
Gyeongsang National University
University of Hawaii
Hiroshima Institute of Technology
IHEP, Beijing
IHEP, Vienna
ITEP, Moscow
Kanagawa University
KEK
Korea University
Krakow Institute of Nuclear Physics
Kyoto University
Kyungpook National University
Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne
Jozef Stephan Institute, University of Ljubliana
University of Maribor
University of Melbourne
Nagoya University
Nara Women’s University
National Central University
National Kaoshiung Normal University
National Lien-Ho Institute of Technology
Nihon Dental College
Niigata University
Osaka University
Osaka City University
Panjab University
Peking University
Princeton University
Riken/BNL
Saga University
USTC
Seoul National University
Shinshu University
University of Sydney
Tata Institute
Toho University
Tohoku University
Tohoku Gakuin University
University of Tokyo
Tokyo Institute of Technology
Tokyo Metropolitan University
Tokyo University of Agriculture and Technology
Toyama National College
University of Tsukuba
Utkal University
Virginia Polytechnic Institute
Yonsei University
p.15
The Belle Collaboration (in work)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
The Belle Collaboration (in work)
p.16
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
The Belle Detector (artistic impression)
p.17
p.18
7 sub-detectors for 7 particle species (e, µ, π, K, p, γ, KL0
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Charged particles — Precision vertex, momentum, Particle id.
Energy and direction for γ / Direction only for KL0
SVD (silicon vtx det.)
4 layer DSSD
150°
CDC (central drift ch.)
17°
8.0 GeV
e-
50 layers axial+stereo, He + C2H5
ACC (aerogel cherenkov
n=1.015~1.030
3.5 GeV
TOF (time-of-flight)
+
σ(t) ~ 100 ps
e
ECL (electromag. cal.)
~9000 CsI(Tl) crystals
1.5T thin SC solenoid
KLM (KL and muon det.)
14/15 layers RPC + iron
EFC (extrem fwd cal.)
BGO crystals
0
1
2
3 (m)
p.19
φ strip, 50µm pitch
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
VA1TA readout
z strip, 75µm pitch (readout through flex sheet)
ビームパイプ径 20mm ⇒ 15mm,
3 層 ⇒ 4 層, θ ⇒ 全 CDC 立体角
Trigger frontend
p.20
(SVD trigger)
CDC trigger
Level-1 Trigger
System
TOF trigger
ECL trigger
HVC
Control System
MASTER
GDL
KLMTRG
CDC frontend
HV System
SEQ
FASTBUS TDC
TRG VME
FASTBUS TDC
CDC VME
FASTBUS TDC
TOF VME
TXSEQ
RUNSUM
vxwin
runwin oprwin localwin
DQM
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
local TOF HV
SVD frontend
flashADC
PC00 ... 07
SVD PC08 ... 15
local SVD HV
ECL frontend
FASTBUS TDC
local ACC HV
KLM frontend
local KLM HV
EFC frontend
FASTBUS TDC
ACC VME
FASTBUS TDC
KLM VME
FASTBUS TDC
EFC VME
KEKB
Thick arrow - data flow
Mid arrow - trigger flow
Thin arrow - HV control
x6
E1TRK
E2TRK
E1VXA
E2VTX
E3
STOR btrans
E1VXB
ECL2 VME
ECL3 VME
ACC frontend
ENVMON
BOLD font - NSM nodes
Italic font - non NSM components
x6
ECL1 VME
MOND
ECL_BHA ECL_BH2
local CDC HV
TOF frontend
Monitors
logwin
evdisp
E1NEU
tape library
E2NEU
RFARM
ElecHut
B3
Tunnel
Computer
Center
Data Taking System
共通 FASTBUS-TDC 読出 + スイッチレス・イベントビルダ
トリガレート ∼ 450 Hz (at 1.2 × 1034 cm−2 s−1 )
固有 deadtime ∼ 6%
(読出 ∼ 3%, 連続入射 veto ∼ 2%, テープ切替 ∼ 1%, . . . )
全 deadtime < 10% — (ほぼ) > 90% の効率で運転中
p.21
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
µ+
π+
π−
K−
µ+
K−
µ−
µ−
0 0
Υ(4S) → B B
*
0
B → J/ψKS
*
J/ψ → µ µ
+ −
KS → π + π−
B0 → X c → K − X
p.22
300
∆ Energy (GeV)
100
0
-0.20
2 つの独立な運動学変数
q
2
Mbc = E2beam − |pCM
|
B
0.00
∆ Energy (GeV)
(Beam-energy constrained mass)
∆E = ECM
− Ebeam
B
(Energy difference)
0.20
0.0
-0.2
5.200
5.250
5.300
2
Beam Constrained Mass (Gev/c )
200
σ(Mbc ) ∼ 2.7 MeV
2
200
Events/(2 MeV/c )
Cross-section ∼ 1nb
(10 Hz at 1034 )
σ(EB ) ∼ 10 MeV (0.2%)
Events/(10 MeV)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Υ(4S) → B0 B0 (∼50%)
Υ(4S) →B+ B− (∼50%)
0.2
(0.05%)
100
0
5.200
5.250
5.300
2
Beam Constrained Mass (Gev/c )
p.23
Continuum (qq) が最大のバックグ
ラウンド
b : qq ∼ 1 : 3
Event shape を利用して抑制
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
(Fisher discriminant, Likelihood, . . . )
必要に応じてフレーバータグ、バー
テックスも組合せる
K
q
K
*
K
B
π
π
K
*
π
B
K
q
π
K
γ
γ
2-jet like
continuum
p(q) ~ 5 GeV/c
γ
Spherical
B decays
p(B) = 0.3 GeV/c
— To B or not to B, that is the question. —
dB/dp(G eV/c)-1
p.24
0.12
0.1
c → slν
レプトンタグ
High-p `+
Medium-p `−
ハドロンタグ B0 らしい
K−
符号
Λ0 → pπ−
個々のフレーバー識別能力は千差万別
High-p π+
Lookup table で一変数 “r” (0 < r < 1)
に押し込めて q = +1 とする
Low-p π−
0.08
b → clν
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
0.06
0.04
0.02
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
pe(G eV/c)
(逆符号なら B0 らしい、q = −1)
B0 → D∗− π+
ρ+
b → c`+ ν
−→ s`− ν
−→ K , Λ
−
0
−→ pπ−
−→ π+ π0
−→ D0 π−slow
p.25
e/µ
原理
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
e− (8 GeV)
e+ (3.5 GeV)
slow π
Tag-side
Vertex
B or B
K
π
CP-side
Vertex
∆z ~ 200 µm
ν
∆z measurement
∆t = ∆z / c β γ
p.25
BELLE
K−
π+
e/µ
原理
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
e− (8 GeV)
e+ (3.5 GeV)
slow π
Tag-side
Vertex
現実?
B or B
K
π+
D+
π
CP-side
Vertex
∆z ~ 200 µm
π−
ν
∆z measurement
∆t = ∆z / c β γ
x
z
1mm
B1→J/ψ K*0
B2
→D+ π−
K−π+
µ+µ−
K−π+π+
µ+
µ−
π+
K−
p.25
e/µ
原理
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
e− (8 GeV)
e+ (3.5 GeV)
slow π
Tag-side
Vertex
現実 (σ(∆z) ∼ 100µs)
B or B
K
π
CP-side
Vertex
∆z ~ 200 µm
ν
∆z measurement
∆t = ∆z / c β γ
p.25
e/µ
原理
e+ (3.5 GeV)
B or B
K
π
CP-side
Vertex
ν
∆z measurement
∆t = ∆z / c β γ
∆z ~ 200 µm
sin 2φ1=0.75
600
-1
∆md=0.489 ps
No ∆t smearing
No flavor dilution
B →J/ψKS
0
0
Entries/ps
(1/N)(dN/d∆t)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
e− (8 GeV)
slow π
Tag-side
Vertex
現実 (σ(∆z) ∼ 100µs)
B0→J/ψK0S
400
200
0
∆t (ps)
qξ f=+1
qξ f= − 1
-8
-6 ≤ -4
CP の破れの観測には十分
-2
0
δ t(ps)
2
4
6
8
p.26
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
— 目次 —
Introduction — B physics の動機と役割
Belle — 検出器と CP の測定
ユニタリティ三角形を決める
ペンギン崩壊と新物理の探索
B physics の将来 — SuperB は superb?
p.27
B→πlν, ρlν,
B→Xulν, etc
φ2
Vt *V
b u
d
b
Vu *V
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B→ππ, ρπ, etc
φ3
B→DK,
B→Kπ, ππ, etc
∆m, B→ργ, etc
td
Non-zero area
= CP violation
φ1
Vcb*Vcd
B→D(*)ln
B→Xclν
B→J/ψKS, etc
B→η’KS,
B→φKS, etc
p.28
b → ccs 崩壊の
事象を集める
1000
Events/(0.002GeV/c2)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
5.2
(CP = −1)
J/ψKS0
Sum
J/ψKS(π π )
+ -
J/ψKS(π π )
0 0
ψ(2S) KS
χc1 KS
ηc KS
J/ψ K (KSπ )
*
0
1997
J/ψKS0 (π0 π0 )
288
ψ(2S)(`+ `− )KS0
145
ψ(2S)(J/ψπ+ π− )KS0
163
χc1 (J/ψγ)KS0
101
ηc (KS0 K− π+ )KS0
123
ηc (K+ K− π0 )KS0
74
ηc (pp)KS0
20
total
2911
5.22
5.24
5.26
5.28 2 5.3 (CP = −1)
Beam Constrained Mass (GeV/c )
J/ψK∗0 (K0 π0 )
S
174
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
p.29
+
µ
µ−
KL0 cluster
KL0 は方向しかわからないため、constraint は 1 つだけ
B0 → J/ψKL0 only, 2332 event, purity 60%
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
p.30
Mode
D∗− `+ ν
D∗− π+
D− π +
D∗− ρ+
J/ψK∗0 (K+ π− )
N(event)
84933
12528
11560
9419
3681
Purity
0.781
0.873
0.903
0.907
0.954
J/ψKS0 (π+ π− )
B0 total
1997
124118
0.976
0.817
D0 π +
J/ψK+
B+ total
48535
8770
57305
0.782
0.966
0.810
B0 + B+ total
181423
0.815
CP 固有状態でない崩壊は
CP の 50 倍もある!
これらは、
フレーバータグ効率
バーテックス分解能
バックグラウンド除去
効率
Blind Analysis
Cross Check
のための貴重なサンプル!
p.31
フレーバータグアルゴリズム (Hamlet) は必ず B か B かを判断する
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
(ただし、必ずしも答えが正しいとは限らない ⇒ 確かさ r を返す)
フレーバータグを間違える割合、
1 − 2w はコントロールサンプルの
mixing の振幅で決める
1
NOF − NSF
cos(∆md ∆t)
=
NOF + NSF 1 − 2w
完璧なフレーバータグなら
振幅 1 の振動
(r は MC での 1 − 2w で 6 つの r に分類)
フレーバータグ実効効率は effective = 28.7 ± 0.5%
(効率が高いことと、精度良く分かってることが重要)
p.32
(1/N)(dN/d∆t)
mixing がなければ
0.3
(リニア)
No ∆t smearing
0.25
0.2
0.15
分解能
(ログ)
0.05
0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
∆t (ps)
(1/N)(dN/d∆t)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
0.1
-1
10
-2
No ∆t smearing
(ログ)
10
-3
10
-4
10
-5
10
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
∆t (ps)
コントロールサンプルの崩壊時間分布を正確に測る
τB0 = 1.533 ± 0.008(stat) ps ⇔ (PDG2003: 1.537 ± 0.015 ps)
τB+ = 1.634 ± 0.011(stat) ps ⇔ (PDG2003: 1.671 ± 0.018 ps)
p.33
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
積分ルミノシティ(KEKB)
運動量測定
事象再構成
(reconstruction)
CPの測定
粒子識別 (レプトン)
種別の同定
(flavor-tagging)
粒子識別 (荷電 K 中間子)
崩壊点測定
崩壊時間の測定
(time measurement)
p.33
積分ルミノシティ(KEKB)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
152 M B-pairs!
運動量測定
粒子識別 (レプトン)
事象再構成
(reconstruction)
5417 events!
種別の同定
(flavor-tagging)
28.7±0.5% の効率!
粒子識別 (荷電 K 中間子)
崩壊点測定
崩壊時間の測定
(time measurement)
0.5% τ 測定!
CPの測定
p.33
積分ルミノシティ(KEKB)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
152 M B-pairs!
運動量測定
粒子識別 (レプトン)
事象再構成
(reconstruction)
5417 events!
種別の同定
(flavor-tagging)
28.7±0.5% の効率!
粒子識別 (荷電 K 中間子)
崩壊点測定
崩壊時間の測定
(time measurement)
0.5% τ 測定!
CPの測定
Maximum
Likelihood
Fit!
p.34
sin 2φ1 = 0.733 ± 0.057(stat) ± 0.028(syst)
Poor tag⇒
Good tag⇒
(Nqξ=−1−Nqξ=+1)/(Nqξ=−1+Nqξ=+1)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
2003 年夏
140 fb−1
Entries/ps
600
qξf=+1
qξf=−1
400
9% の
200
0
0.5
精度!
0<r≤0.5
0
世界平均は
0.736 ± 0.047
-0.5
0.5<r≤1.0
0.5
7% の精度
0
-0.5
-8
-6
-4
-2
0
∆t(ps)
2
4
6
8
p.35
Tree (T)
Vud
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
*
b
0
B
d
Vub
d
π
u
u
+
π
d
λππ =
∗
Vub
Vud
∗
Vub Vud
∗
Vtb
Vtd
∗
Vtb Vtd
Mixing
Vtb t
b
B
*
Vtd
0
d
Tree と Mixing だけなら λππ = e2iφ2
d
B
*
Vtd t
Vtb
b
0
p.35
Tree (T)
Vud
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
*
b
0
B
d
Vub
d
π
u
u
+
π
d
λππ =
∗
Vub
Vud
∗
Vub Vud
∗
Vtb
Vtd
∗
Vtb Vtd
Mixing
Vtb t
b
B
*
Vtd
0
d
d
B
*
Vtd t
Vtb
0
b
Tree と Mixing だけなら λππ = e2iφ2
λππ =
Penguin (P)
b
B
d
0
d π+
u
u π
d
λππ =
∗
Vub
Vud
∗
Vub Vud
+ Penguin
!
∗
Vtb
Vtd
∗
Vtb Vtd
iδ iφ
2iφ2 1+|P/T|e e 3
e 1+|P/T|eiδ e−iφ3
P と T との干渉 ⇒ direct CP violation
φ2 ⇒ φ2effective
p.36
|∆t|
B0
−τ
e
Γ(B ) =
[1 + S sin(∆m∆t) + A cos(∆m∆t)]
4τB0
− τ|∆t|
e B0
Γ(B ) =
[1 − S sin(∆m∆t) − A cos(∆m∆t)]
4τB0
0
(1/N)(dN/d∆t)
Direct CPV (A) は時間積分しても消えない
S = 0.8, A = 0
S = 0.8, A = 0.6
(1/N)(dN/d∆t)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
0
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
B →π π
0
0.2
+ 0.2
B →π π
0
0.1
0
0.5
-8
-6
-4
B →π π
0
0.1
-2
0
2
4
6
8
∆t (ps)
0
B →π π
0
+ -
-8
-6
+ -
-4
-2
0
2
+ -
4
6
8
∆t (ps)
p.37
140
120
Total
(a)
π+π −
Kπ
Three−body
80
60
40
20
0
60
40
20
0
-5
-0.2
0
0.2
0
∆t (ps)
0.4
∆E (GeV)
5
Aππ = +0.58 ± 0.15(stat) ± 0.07(syst) (3.2σ)
Sππ = −1.00 ± 0.21(stat) ± 0.07(syst) (5.2σ)
Raw Asymmetry
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
100
q = +1
q = −1
80
qq
π+π− yield
Events/20 MeV
160
0.5 < r ≤ 1.0
1
hep-ex/0401029
0
−1
Belle 140 fb−1
Submitted to PRL
−5
on Jan. 18, 2004
0
∆t (ps)
5
p.37
140
120
Total
(a)
π+π −
Kπ
Three−body
80
60
40
20
0
60
40
20
0
-5
-0.2
0
0.2
0
∆t (ps)
0.4
∆E (GeV)
Aππ
Raw Asymmetry
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
100
q = +1
q = −1
80
qq
π+π− yield
Events/20 MeV
160
5
First evidence for direct CPV
= +0.58 ± 0.15(stat) ± 0.07(syst) (3.2σ)
Sππ = −1.00 ± 0.21(stat) ± 0.07(syst) (5.2σ)
Another observation
of CPVBelle
in 140
B decay
1
0.5 < r ≤ 1.0
fb−1
hep-ex/0401029
0
−1
Submitted to PRL
−5
on Jan. 18, 2004
0
∆t (ps)
5
p.38
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
2 つの測定 — Aππ , Sππ = φ2effective
3 つの未知量 — φ2 , δ (strong phase), |P/T|
p.38
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
2 つの測定 — Aππ , Sππ = φ2effective
3 つの未知量 — φ2 , δ (strong phase), |P/T|
|P/T| は B → ππ や B → Kπ の
分岐比の測定などから予想可
0.15 < |P/T| < 0.45
CL=0.683 (1σ)
CL=0.955 (2σ)
CL=0.9973 (3σ)
90◦ ≤ φ2 ≤ 146◦
(95.5% CL)
p.39
Vus
*
Vcb
b
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B
u
+
s
K
+
u
c
D
0
u
*
s
d
u
d
d
u
0
KS
Vub
b
u
0
π
−
π
+
B
D
c
+
Vcs
u
s
K
+
u
B → DK と B → DK はともに λ3 で位相差 φ3 = arg
⇒ さまざまな方法が提案されてきた
u
d
d
u
d
s
!
∗
Vcb Vcs
∗
Vub
Vus
D0 (D0 ) → KS0 π+ π− の 3 体崩壊はさまざまな中間状態を経由
K∗ (892)+ π−
K∗ (892)− π+
KS0 ρ0
KS0 f2 (1270)
K0∗ (1430)+ π−
K0∗ (1430)− π+
KS0 ω
KS0 σ1
K2∗ (1430)+ π−
K2∗ (1430)− π+
KS0 f0 (980)
KS0 σ2
K∗ (1680)+ π−
K∗ (1680)− π+
KS0 f0 (1370)
non-res.
Dalitz 分布の解析から φ3 — かなり良い方法 (Belle の発明)
π
−
π
+
0
KS
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
p.40
KEKB/Belle は
チャームファクトリー?
100,870 D0 → KS0 ππ 事象
(97% purity)
非対称な分布
(M(KS0 π+ )⇔M(KS0 π− ))
B+ → DK+ を見たときも
D0 K+ と D0 K+ の間に干渉
Dalitz 平面の各点 (m2+ , m2− )
で異なる干渉パターン
A+ = f (m2+ , m2− ) + re+iφ3+iδ f (m2− , m2+ )
A− =
2
2
f (m− , m+ )
+ re
−iφ3 +iδ
2
2
f (m+ , m− )
4
2
2
m
73 event
1.5
1
1
0.5
0.5
1
1.5
2
m
2.5
2
3
2
4
+ (GeV /c )
B → DK
2
1.5
0.5
(b)
−
2.5
m
B+ → DK+
2
3
2
(a)
2.5
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
+ (GeV /c )
3
2
4
- (GeV /c )
p.41
−
73 event
0.5
1
1.5
2
2.5
2
m
3
2
4
- (GeV /c )
4
2
2
m
73 event
1.5
1
1
0.5
0.5
1
1.5
B → D0 K から
2
m
2.5
2
3
2
4
+ (GeV /c )
φ3 = 86◦ ± 20◦ ± 14◦ ± 11◦
φ3 = 86◦ ± 49◦ (95% CL)
B → D∗0 K から
φ3 = 51◦ ± 47◦ ± 12◦ ± 11◦
φ3 = 51◦ ± 82◦ (95% CL)
B → DK
2
1.5
0.5
(b)
−
2.5
m
B+ → DK+
2
3
2
(a)
2.5
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
+ (GeV /c )
3
2
4
- (GeV /c )
p.41
−
73 event
0.5
1
1.5
2
2.5
2
m
3
2
4
- (GeV /c )
4
B+ → DK+
2
73 event
1.5
1
1
0.5
0.5
1
1.5
B → D0 K から
2
m
2.5
2
3
2
B → DK
2
1.5
0.5
φ3 = 86◦ ± 49◦ (95% CL)
B → D∗0 K から
φ3 = 51◦ ± 47◦ ± 12◦ ± 11◦
φ3 = 51◦ ± 82◦ (95% CL)
−
73 event
0.5
4
1
1.5
2
2.5
2
+ (GeV /c )
φ3 = 86◦ ± 20◦ ± 14◦ ± 11◦
(b)
−
2.5
m
2
m
2
3
2
(a)
2.5
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
+ (GeV /c )
3
2
4
- (GeV /c )
p.41
m
3
2
4
- (GeV /c )
Combined
φ3 = 81◦ ± 19◦ ± 13◦ ± 11◦
◦
◦
φ3 = 81 ± 46 (95% CL)
p.42
φ1 : B → J/ψKS0 他
(標準理論に矛盾はない)
φ2 : B → π + π −
1.5
excluded area has < 0.05 CL
1
∆md
∆ms & ∆md
0.5
φ2
εK
η
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Belle の φ1 、φ2 、φ3 は今
のところ他の測定と合う
φ1
φ3
0
sin 2φ1(WA)
|Vub/Vcb|
φ3 : B → DK
-0.5
εK
-1
CKM
fitter
LP 2003
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
ρ
1
1.5
2
p.43
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
— 目次 —
Introduction — B physics の動機と役割
Belle — 検出器と CP の測定
ユニタリティ三角形を決める
ペンギン崩壊と新物理の探索
B physics の将来 — SuperB は superb?
p.44
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
CP の測定には b → c および b → u 遷移を使用してきた
標準理論では、b → s 遷移は高次ループ (ペンギン) 効果
~
t
t
b
s,d
W
b
s,d
χ
-
SM
ここで、
m(t) = 175 GeV
m(W) = 80 GeV
Coupling: Vts∗ Vtb ∼ λ2
-
New Physics (SUSY, etc)
p.44
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
CP の測定には b → c および b → u 遷移を使用してきた
標準理論では、b → s 遷移は高次ループ (ペンギン) 効果
~
t
t
b
s,d
W
b
s,d
χ
-
SM
-
New Physics (SUSY, etc)
ここで、
m(t) = 175 GeV
ということは、質量が O(100 GeV) で
m(W) = 80 GeV
b や s クォークと相互作用する新粒子の
Coupling: Vts∗ Vtb ∼ λ2 寄与は、同じオーダーで効いてくる!
多数の b → s 崩壊モード ⇒ 新物理の探索へ Go!
p.45
ペンギンで CP を測る — 標準理論の CP は Belle が測定済
ペンギンの分岐比を測る — 標準理論の計算が可能な場合
さらにいろいろな観測量 — 例えば γ と Z の干渉を見る
ただし、分岐比が小さい (10−5 か、それ以下) ので大変
700
600
0
B →
J/ψKS0
Entries / 0.0025 GeV/c
2
800
2
900
Events/(0.002GeV/c )
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
起り得ないものを探す — 抑制されている分岐比や direct CPV
etc
2716 signals
500
400
300
200
100
0
5.2
30
20
B0 → φKS0 etc
68 ± 11 signals
10
0
5.2
5.22
5.24
5.26
2
Mbc (GeV/c )
5.22
5.24
5.26
2
M (GeV/c )
5.28
5.3
5.28
5.3
p.46
Mixing
SM penguin
New physics?
K-Mixing
*
Vtd t Vtb
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
d
B
b
b
s
0
K
*
Vtb t Vtd
d
CPV phase is known!
b
*
Vtb
s
Vts
b
s
?
b → s ペンギンの CP 位相は SM なら φ1 : arg
*
Vcd
d
0
d
?
Decay part is less known
Vcs c
*
Vcd c
Vcs
s
K-mixing is necessary
!
∗
Vtd Vts
∗
Vcd
Vcs
b → sss: B → KS0 φ, B → KS0 K+ K− , B → KS0 η0 , . . . (他にも多数)
解析手法は J/ψKS0 と同一 (誤りの入る余地が少ない)
ただし、New physics により direct CPV の可能性あり (S と A)
ところが…
+0.09
SφK0 = −0.96 ± 0.50 −0.11 !
S
b) B → φK s
0
0
0.5
sin 2φ1 =
0.736 ± 0.049 (WA)
0
Raw Asymmetry
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
1
-0.5
0.0 < r ≤ 0.5
-1
1
p.47
c)
3.5σ!
AφK0 は
S
−0.15 ± 0.29 ± 0.07
0.5
0
-0.5
-1
-7.5
から
0.5 < r ≤ 1.0
-5
-2.5
0
∆t (ps)
2.5
5
7.5
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
p.48
本当に「未知の粒子」か?
次の手掛りが必要…
OPAL
98
+ 1.8
3.2 – 2.0 ± 0.5
“sin 2φ1 ” summary
ALEPH
00
+ 0.82
0.84 – 1.04 ± 0.16
CDF+ 00
0.41
(Winter’04 updates)
0.79 – 0.44
BABAR 02
0.741 ± 0.067 ± 0.034
Belle 03
0.733 ± 0.057 ± 0.028
Average (charmonium)
0
BABAR 04+ 0.08
φK
0.736 ± 0.049
Belle 03
⇒ φKS0 : −0.14 ± 0.33
0.47 ± 0.34 – 0.06
+ 0.09
, 0
η KS
–0.96 ± 0.5 – 0.11
(2.6σ from SM)
[Belle - BaBar: 2.3σ]
BABAR 03
0.02 ± 0.34 ± 0.03
Belle 03
0.43 ± 0.27 ± 0.05
0
f0KS
0 0
π KS
0
KKKS
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Charmonium Modes
p.49
BABAR
04
+ 0.51
1.62 – 0.56 ± 0.1
BABAR
04
+ 0.38
0.48 – 0.47 ± 0.11
All b → s
2.4σ away from SM
BABAR 04+ 0.17
0.56 ± 0.25 – 0.04
Belle 03
+ 0.19
0.51 ± 0.26 – 0.05
Average (s penguin)
H F AG
0.42 ± 0.12
Winter 2004
Average (All)
0.69 ± 0.045
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
– ηf × Sf
0
0.5
1
1.5
2
p.50
b → sγ や b → s`+ `− (inclusive) なら計算可能 (10% 程度の理論誤差)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Hadronic (B → φKS0 など) や exclusive (B → K∗ γ など) は当てにならず
γ
γ
B
b
b→sγ (quark level)
s
π
π
B→Xs γ (meson level)
Xs
K
振幅を強め合うものに強い制限 (新振幅どうし打消し合うものはダメ)
b → sγ は 2 体崩壊なので、Eγ ∼ MB /2 にピーク
バックグラウンド除去がとても大変 (Mbc や ∆E が使えない)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
25000
Events/100 MeV
Entries per 33 MeV
p.51
バックグラウンド除去前
10 6
(MC 140 fb−1 )
バックグラウンド除去
Belle 140 fb−1
20000
10 5
15000
10
4
10
3
10000
5000
10 2
0
10
1
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
CM energy [GeV]
-5000
1.5
2
2.5
3
3.5
4
E*γ [GeV]
+0.11
−4
B(B → Xs γ) = (3.59 ± 0.32 +0.30
)
×
10
−0.31 −0.07
Emin
γ 2.0⇒1.8 GeV — 理論誤差の削減に成功
hep-ex/0403004
PRL に投稿
p.52
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Hurth et al. (hep-ph/0312260)
Asatrian et al. (hep-ph/0401038)
Gambino and Misiak
Kagan and Neubert
ALEPH
PLB429,169(1998)
[4.1 MZ ]
CLEO
PRL87,251807(2001)
[9.1 fb ]
BaBar
hep-ex/0207076
[54.6 fb ]
BaBar
hep-ex/0207074
[20.7 fb ]
Belle
hep-ex/0403004 (2004)
[140 fb ]
-4
(3.11±0.80±0.72)x10
0
+0.18
-4
+0.43
-4
(3.21±0.43±0.27 -0.10 )x10
-1
-1
(3.88± 0.36± 0.37 -0.23 )x10
-1
(4.3±0.5 ± 0.8±1.3)x10
-4
-4
+0.30 +0.11
)x10
-0.07
(3.59± 0.32 -0.31
-1
-4
Average
by MN
(3.45± 0.29)x10
2
3
4
5
6
BF(B→Xs γ )x10
-4
B(B → Xs γ) = (3.45 ± 0.29) × 10 , 8% error
−4
agree with SM, smaller error than theories (NLO)
p.53
t
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
b
γ
t
1
αEM
γ/Z
l−
s
b
u,d
b
l−
W
t
s
b→sll box
γ
t
Vtd
Vts
W
l+
u,d
b→sll penguin
b→sγ penguin
ν
u,d
s
b
l+
d
γ
b
d
u
u
2
u,d
b→dγ penguin
b→dγ annihilation
b → sγ で見えないものが見えるかも
ただし分岐比は 2 桁小さい — 今の Belle でようやく見える程度
b → sγ は 10−5 ∼ 10−4
b → s`+ `− , b → dγ は 10−7 ∼ 10−6
p.54
b → s`+ `− exclusive
b → s`+ `− inclusive
Ali ’01
Zhong ’02
Belle K*ll [140 fb ]
Belle K*µµ [140 fb-1]
Belle K*ee [140 fb-1]
BaBar K*ll [113 fb-1]
BaBar K*µ µ [113 fb-1]
BaBar K*ee [113 fb-1]
-1
(11.5
+2.6
-2.4
+3.6
± 0.8)x10
-7
-7
-3.1 ± 1.0)x10
+5.2
-7
(14.9 -4.6 +1.2
-1.3 )x10
+3.3
-7
(11.7
(8.8
-2.9 ± 1.0)x10
+7.6
-7
-6.1 ± 1.6)x10
-7
+5.0
-4.2 ± 1.1)x10
(12.7
(9.8
Zhong ’02
-1
[140 fb ]
(4.8
-1
(4.8
-1
(4.8
[140 fb ]
[140 fb ]
-1
(6.5
[113 fb ]
-1
(4.5
-1
(7.4
[113 fb ]
[113 fb ]
-7
-6
10
+1.0
-0.9
+1.2
-1.1
+1.5
-1.3
+1.4
-1.3
+2.3
-1.9
+1.8
-1.6
± 0.3)x10
-7
± 0.3)x10
-7
± 0.3)x10
-7
± 0.4)x10
-7
± 0.4)x10
-7
± 0.5)x10
-7
-5
10
Events/(2MeV/c2)
B → ργ,ωγ summed
14
12
10
8
6
20
B → ργ,ωγ summed
18
16
12
10
8
2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
∆E (GeV)
0
5.2
(7.9 ± 2.1
(4.4 ± 1.1
(4.5 ± 1.3 ± 0.8)x10
(4.3 ± 1.1 ± 0.7)x10
(5.6 ± 1.5 ± 0.6 ± 1.1)x10
-6
(6.0 ± 1.7 ± 0.7 ± 1.1)x10
-6
(5.0 ± 2.8 ± 0.6 ± 1.0)x10
-6
(4.8 ± 1.1)x10
-5
-6
-6
-4
10
BF(B →K l l )
10
b → dγ (exclusive) も見えて
きたかも (3.5σ の信号)
14
4
-0.2
(5.0 ± 2.3
-6
+1.4
-1.1 )x10
-6
+1.3
-1.1 )x10
-6
+2.1
)x10
-1.5
-6
+0.8
-0.7 )x10
-6
b → s`+ `− (inclusive/exclusive)
分岐比は SM と良く合う
6
0
-0.3
(6.1 ± 1.4
(*) + -
4
2
<57x10-6
10
b → dγ exclusive
16
<58x10
-6
10
BF(B →K l l )
-6
CLEO Xsee [3.1 fb-1]
PRL79,2289(1998)
CLEO Xsµµ
Belle Xsll [60 fb-1]
PRL90,021801(2003)
Belle Xsee
Belle Xsµ µ
Belle Xsll [140 fb-1]
Moriond ’04
Belle Xsee
Belle Xsµ µ
BaBar Xsll [82 fb-1]
hep-ex/0404006
BaBar Xsee
BaBar Xsµµ
Average
MN
(*) + -
Events/24MeV
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Ali ’01
Belle Kll
Belle Kµ µ
Belle Kee
BaBar Kll
BaBar K µµ
BaBar Kee
Ali ’01
5.22
5.24
5.26
5.28
5.3
2
Mbc (GeV/c )
だが今のところ φKS0 のよう
な驚きはなし
将来性のある崩壊過程を確立
p.55
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
— 目次 —
Introduction — B physics の動機と役割
Belle — 検出器と CP の測定
ユニタリティ三角形を決める
ペンギン崩壊と新物理の探索
B physics の将来 — SuperB は superb?
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
p.56
dummy text
p.57
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
B → φKS0 や B → K∗ `+ `− など、数十事象ではダメで、
何かを特定するには B → J/ψKS0 のように数百∼数千事象必要
50∼100 倍のピーク、5 ∼ 50 ab
−1
の積分
ピークルミノシティ 5 × 1035 cm−2 s−1
2008 年ごろに大規模アップグレード (∼ 1 年)
SuperKEKB LoI ∼ 530 pages!!
Part I — Physics, Part II – Detector, Part III Accelerator
Web page: since Feb.2004 (http://belle.kek.jp/superb)
KEK Report 2004-4 in printing
SLAC 側の計画 (SuperBaBar)
ピークルミノシティ 1 × 1036 cm−2 s−1 , 2010 年以降
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
p.58
dummy text
p.59
φ3
φ3
1
∆md
∆md
φ2
φ2
0
あるいは
sin2φ1
|Vub/Vcb|
η
η
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
1
0
sin2φ1
|Vub/Vcb|
-1
-1
CKM
CKM
fitter
fitter
package
-1
package
0
1
2
ρ
Consistent?
5 ab
−1
-1
0
1
ρ
2
Inconsistent!?
での 2 つの可能性
(Nqξ=−1−Nqξ=+1)/(Nqξ=−1+Nqξ=+1)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
p.60
現在の b → s の平均くらい
0
J/ψK
S
0.5
0
sin 2φ1 からずれてたら?
−1
0
φK
S
5 ab で
0
φKS だけで
6.2σ の違い!
-0.5
-8
-6
-4
-2
0
∆t(ps)
2
4
6
8
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
p.61
の違いを
SUSY
⇒
⇐
見分ける!
(質量だけでは区別が難しいかも)
p.62
l+l- rest frame
forward-backward asymmetry
l+
l-
B
B
Low energy での γ と Z の干渉
ループなので、new physics の影響を受けやすい
(q2 = O(1 GeV2 ) では 90 GeV も O(1 TeV) も似たようなもの)
SM では 3 GeV2 付近で符号が負 ⇒ 正
AFB
SUSY では符号も振幅もいかようにも変わり得る
AFB
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
l-
1
SuperB FSIM B→K *l+l- at 5 ab
1
-1
SuperB FSIM B→K *l+l- at 50 ab
0.5
0.5
0
0
-0.5
-0.5
5 ab−1 MC
50 ab−1 MC
-1
0
-1
-1
5
10
15
20
25
2
q2 (GeV /c 4)
0
5
10
15
20
25
2
q2 (GeV /c 4)
l+
p.63
物理トピック
Lepton flavor violation
CP violation
(EDM, decay rate)
Rare decays
B(τ → µγ) < 1 ∼ 2 × 10−8 at 5 ab−1
同様に、τ → µη, τ → eη, τ → ``+ `−
Upper limit (90%C.L.)
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
σ(τ+ τ− ) ∼ σ(BB)
5 × 109 τ-pair (τ-factory!)
10
-6
ToyMC estimation for τ→µγ
10
-7
1/√n
1/n
10
-8
No BG case (τ→µη,lll,etc.)
0
2000
4000
-1
L (fb )
LHCb
(0.002ab−1 )
0.2
×
×
×
0.058
×
×
×
4σ (3 years)
×
×
×
0.022
×
×
8◦
5◦
14◦
×
Studied for SuperKEKB LoI
∆SφK0
∆SK+ KS − K0
∆Sη0 K0 S
∆SK0 KS0 K0
S S S
∆Sπ0 K0
sin 2χ S(Bs → J/ψφ)
∆SK∗0 γ
B(B → Xs γ)
ACP (B → Xs γ)
C9 from AFB (B → K∗ `+ `− )
C10 from AFB (B → K∗ `+ `− )
B(Bs → µ+ µ− )
B(B+ → K+ νν)
B(B+ → Dτν)
B(B0 → Dτν)
sin 2φ1
φ2 (ππ isospin)
φ2 (ρπ)
φ3 (DK(∗) )
φ3 (Bs → KK)
φ3 (Bs → Ds K)
|Vub | (inclusive)
B(τ → µγ)
SuperKEKB
(5 ab−1 ) (50 ab−1 )
0.079
0.031
0.056
0.026
0.049
0.024
0.14
0.04
0.10
0.03
×
×
0.14
0.04
5%
5%
0.011
5×10−3
32%
10%
44%
14%
×
×
5.1σ
8%
2.5%
3.5σ
9%
0.019
0.014
◦
3.9
1.2◦
2.9◦
0.9◦
4◦
1.2◦
×
×
×
×
5.8%
4.4%
< 1.8 × 10−8
Summary of physics reach
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
Observable
p.64
p.65
まとめ 1 — B の物理の現状
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
sin 2φ1 はもはや 7% の精度!
B0 → π+ π− でも CP の破れ ⇒ φ2 への制限
φ3 にも制限がかかり、三つの角度が出揃った!
(Vub の精度も上がっている)
標準理論 (小林益川) は、世の中を非常に良く記述している
b → s ペンギンの CPV は標準理論を越える足掛かり
次の手掛かりとなるたくさんの崩壊過程の発見・確立
p.66
KEKB ファクトリーと B の物理 — 中尾幹彦 (KEK 素核研)
まとめ 2 — B の物理の近未来
ab−1 で数える時代はもうすぐそこ (∼ 2007 年)
次の新しい手掛かりはすぐそこにあるかもしれない
LHC 時代の素粒子物理
新物理の存在の証明 — LHC による新粒子の直接発見
B, τ などのフレーバーの物理により、新物理の同定
LHCb と BTeV と (少なくとも一つの) B-factory at Υ(4S)
重なる部分も多いが、多数の手掛りを得るために補い合う
ことが重要
エネルギー・フロンティアとルミノシティ・フロンティアの協調

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