Експеримент Belle II

Експеримент Belle II – це експеримент з фізики елементарних частинок, призначений для вивчення властивостей B-мезонів (важких частинок, що містять b-кварк). Belle II є модернізацією експерименту Belle(інші мови), що працював з 1999 по 2010 роки^[1]. Детектор Belle II розташований у прискорювальному комплексі SuperKEKB^[2] в Цукубі, префектура Ібаракі, Японія. Детектор був встановлений у квітні 2017 року^[3] та розпочав збір даних на початку 2019 року^[4]. Очікується, що за період своєї роботи Belle II збере в 50 разів більше даних, ніж його попередник. Це стане можливим в основному завдяки збільшенню в 40 разів світності колайдера.

Відкритий детектор Belle II перед установкою внутрішньої трекінгової системи.

В роботі над експериментом беруть близько тисячі науковців з 26 країн світу^[5], в тому числі з України^[6].

Наукова мета

Напрямки наукової роботи включають^[7]:

• вивчення порушення CP-інваріантності в розпадах B-мезонів, вимірювання кутів та сторін трикутника унітарності;
• вимірювання параметрів СКМ-матриці;
• дослідження інклюзивних розпадів ${\displaystyle B\to X_{s}\gamma }$;
• вивчення напівлептонних розпадів типу ${\displaystyle b\to sl^{+}l^{-}}$, таких як ${\displaystyle B\to Kl^{+}l^{-}}$ та ${\displaystyle B\to K^{*}l^{+}l^{-}}$;
• вивчення напівлептонних розпадів з участю нейтрино;
• пошук порушень лептонної універсальності;
• дослідження чармонію та ботомонію, пошук досі не відкритих станів;
• фізика тау-лептонів;
• пошук кандидатів темної матерії за ознакою "нестачі енергії" в продуктах розпаду.

Модернізація детектора

Значна частина оригінального детектора Belle була модернізована, щоб справлятися з вищою світністю, яку забезпечує прискорювач SuperKEKB.^[2] Центральна трекінгова система детектора (VXD) пристосована до більшого опромінення. Дві нові системи ідентифікації частинок були встановлені в передній частині (ідентифікація з допомогою аерогелевого детектора черенковського випромінювання) та в центральній частині (ідентифікація з допомогою кварцових брусків, в яких відбувається повне внутрішнє відбиття фотонів черенковського випромінювання). Проведена заміна електроніки та сцинтиляторів в інших частинах детектора.

Метою експерименту є набір 50 аб^-1 даних на Belle II порівняно з 988 фб^-1 у Belle.

Спорудження Центральної дрейфової камери (CDC) експерименту Belle II.

Часова шкала

Збір даних Belle II розділений на три фази:

• Етап I – лютий-червень 2016 року: введення в експлуатацію прискорювача SuperKEKB та характеризація пучка.

• Етап II – 2018-2019 роки, детектор працював без внутрішньої трекінгової системи VXD для характеристизації фонового випромінювання у місці її майбутнього розташування. Це було необхідно для оцінки радіаційного опромінення, яке матиме цей чутливий детектор.

• Фаза III - починаючи з 2019 року: збір даних за допомогою повного детектора Belle II. Станом на 2019 рік було встановлено лише половину внутрішнього трекінгового детектора.

25 березня 2019 року зареєстровано перші зіткнення в повністю встановленому детекторі Belle II, що знаменувало початок його повноцінної роботи^[4].

Відмінності від експерименту LHCb

Експерименти Belle II та LHCb (детектор на ВАК) мають схожу мету та працюють, доповнюючи один одне^[8]. Головною відмінністю між ними є те, що Belle II працює за принципом "B-фабрики" на електрон-позитронному колайдері, в той час як LHCb працює на адронному колайдері при значно вищих енергіях. У разі, якщо один з двох експериментів відкриє відхилення від Стандартної моделі, другий повинен буде підтвердити ці результати.

• LHCb (працює на енергії 13 ТеВ) має більший перетин утворення b-кварків за Belle II (енергія 10 ГеВ), що означає швидший набір даних.
• У зіткненнях LHCb утворюється велика кількість інших частинок, що створює значний фон та ускладнює роботу експерименту. В Belle II при роботі на Y(4S) резонансі утворюється лише пара B мезонів без жодних інших частинок.
• Belle II обладнаний краще для роботи з нейтральними частинками (γ, π⁰, K⁰). Завдяки своїй герметичності він також здатен визначати "нестачу енергії" в продуктах розпаду, що є типовою ознакою утворення нейтрино (яке не реєструється у детекторі).
• LHCb здатен продукувати не лише B-мезони, а і B-баріони (Λ⁰_b, Ξ^-/0_b, Ω^-_b) та інші важкі частинки.
• Експерименти використовують різні принципи визначення аромату утвореного B мезона (англ. flavour tagging). Belle II має вищу ефективність через квантову кореляцію двох утворених мезонів в розпаді Y(4S).

Див. також

• B-мезон
• SuperKEKB
• Експеримент LHCb

Список літератури

1. SuperKEKB Phase 3 (Belle II Physics Run) Starts. News (амер.). Архів оригіналу за 23 березня 2021. Процитовано 24 січня 2021.
2. SuperKEKB. www-superkekb.kek.jp. Архів оригіналу за 31 березня 2019. Процитовано 28 квітня 2017.
3. Belle II rolls in. CERN Courier (брит.). 19 травня 2017. Процитовано 24 січня 2021.
4. First physics for Belle II. CERN Courier (брит.). 10 квітня 2020. Архів оригіналу за 22 січня 2021. Процитовано 24 січня 2021.
5. The Collaboration | Belle II Experiment (амер.). Архів оригіналу за 15 квітня 2021. Процитовано 24 січня 2021.
6. Belle II Collaboration Map - Belle II - DESY Confluence. confluence.desy.de. Архів оригіналу за 25 лютого 2021. Процитовано 24 січня 2021.
7. Kou, E; Urquijo, P; Altmannshofer, W; Beaujean, F; Bell, G; Beneke, M; Bigi, I I; Bishara, F; Blanke, M (1 грудня 2019). The Belle II Physics Book. Progress of Theoretical and Experimental Physics (англ.). Т. 2019, № 12. с. 123C01. doi:10.1093/ptep/ptz106. ISSN 2050-3911. Архів оригіналу за 5 жовтня 2021. Процитовано 24 січня 2021.
8. INSPIRE. inspirehep.net. Процитовано 24 січня 2021.

Зовнішні посилання

• Публічна вебсторінка Belle 2 [Архівовано 31 травня 2019 у Wayback Machine.]
• Вебсторінка колаборації Belle 2 [Архівовано 6 вересня 2019 у Wayback Machine.]
• Пошук нової фізики - експеримент Belle II
• Belle II на Inspire
• SuperKEKB на Inspire [Архівовано 20 січня 2020 у Wayback Machine.]