SuperKEKBとBelle II 後田 裕 (KEK) Future Prospects for Fundamental Particle Physics a.k.a. 石野さん南條さん送別会 2016/3/25 京都大学

3月2日報道発表 3月4日までに確認されたweb記事

コライダーの運転開始 LHC(2008)以降初 あとに続くのは、HL-LHC; Linear Collider (ILC, CLIC), HE-LHC, FCC, CEPC, SppC, Super tau charm, … 開始年 加速器 2016(17) SuperKEKB 2008 LHC 1998(99) KEKB, PEP-II 1989 LEP 1988 BEPC 1986 TRISTAN 1983(85) TEVATRON 2015/6/23

物質優勢宇宙を理解するための２つの道程 ニュートリノ Bファクトリー （中性レプトンの研究） （クォークなどの研究） スーパーBファクトリー クォークにおけるCP対称性の破れ（小林・益川） ニュートリノ物理学 ニュートリノ質量と混合角 2015年 梶田博士 2008年 小林博士・益川博士 2002年 小柴博士 スーパーBファクトリー ニュートリノにおけるCPの破れ 右巻きの重いニュートリノ （暗黒物質候補）とCP対称性の破れ 新物理の発見 新物理におけるCP対称性の破れ 新素粒子（暗黒物質候補）の理解 クォークのCP対称性の破れから、物質優勢宇宙ができたという可能性 レプトンのCP対称性の破れが元で、物質優勢宇宙ができたという可能性

世界の新物理探索実験 直接探索 間接探索（フレーバーの物理） B(b) D(c) t K(s) m n LHCb@CERN Belle II ATLAS@CERN B(b) D(c) t K(s) m n MEG@PSI n-EDM@PSI LHCb@CERN NA62@CERN CMS@CERN Mu2e@Fermilab n-EDM @TRIUMF Muon g-2 @Fermilab Belle II COMET @J-PARC K0TO@J-PARC P33@J-PARC Muon g-2 @J-PARC Belle II: 世界最大規模の観測網 様々な粒子の様々な崩壊を測定 2016/1/22

Direct search and Indirect search Production in high energy collisions Contribution through quantum effect p c ~ g q n l- _ b s g q ~ Tunnel effect c 衝突エネルギーを可能な限り高くする（エネルギーフロンティアの開拓） 短期間で可能な限り多くのデータを取得し、精密測定を可能にする（強度・ルミノシティーフロンティアの開拓） http://www.hep.ucl.ac.uk/iop2010/talks/14.pdf 2016/1/22

新物理探索の一例 精密測定によりこの「差」を見つける。 J/K0 fK0 新物理による僅かな「差」を超精密測定により明らかにする b s g q ~ Tunnel effect c 精密測定によりこの「差」を見つける。 J/K0 fK0 シミュレーション(50ab-1) S(K0)=0.39 is assumed 新物理による僅かな「差」を超精密測定により明らかにする そのためには、大量のデータが必要　→ SuperKEKB加速器 2016/1/22

ルミノシティを上げるには 電子・陽電子の数を増やす 大電流 小ビームサイズ 2014/10/22

バンチの一部分だけが衝突することで、HG条件を緩和・回避 Nano-Beam 衝突 Original idea of P.Raimondi バンチの一部分だけが衝突することで、HG条件を緩和・回避 SuperKEKB KEKB 1mm 5mm 100mm ~50nm 83mrad 5mm 1mm 100mm 22mrad

SuperKEKB and Belle II Belle II SuperKEKB Target: L = 8x1035/cm2/s New superconducting /permanent final focusing quads near the IP New IR Colliding bunches e+ 4GeV 3.6 A SuperKEKB e- 7GeV 2.6 A Target: L = 8x1035/cm2/s Replace short dipoles with longer ones (LER) Add / modify RF systems for higher beam current Positron source New positron target / capture section Redesign the lattices of HER & LER to squeeze the emittance Damping ring @1.1 GeV To inject low emittance positrons TiN-coated beam pipe with antechambers Cu for wigglers and Al alloy for the rest Low emittance gun To inject low emittance electrons 2016/1/22 11

SuperKEKB: Ring completed

Belle II測定器とBEAST II BEAST II Belle II ２０１５．１１ BEAST II Belle II Beam Exorcism for A Stable ExperimenT （安定な実験のためのビームのお祓い） 新しい加速器が安定に稼働するまでは、貴重な測定器を壊す危険性が高いので、Belle IIの代わりにビームからのバックグラウンド測定専用センサー群（BEAST II）を設置 Belle IIは隣で組み立て中

First Beam Storage ! 130 turns Stored 2 turns 26 Feb. 2016 9 Feb. 2016

典型的な加速器運転状況 小電流調整運転(~30mA)と 可能な大電流(3月下旬現在でLER~200, HER~150mA) での真空焼き出し運転を半々 2015/6/23

BEAST LER 最初の3周 (BEAST II) HER 最初の2周 (BEAST II) 2016/1/22

スケジュール VXDを導入 測定器をビームラインに導入 ただしVXDの代わりにVXDプロトタイプとほかのバックグラウンドセンサー 2016/1/22

QCS and DR (will engage from phase 2) Superconducting final focus magnet (QCS) Positron damping ring (DR) Magnets are being installed in the new tunnel 新トンネル建設（H23〜24） DR電磁石 QCSL delivered on Dec. 25, 2015 QCSR under construction 2016/1/22

Belle II Detector KL and muon detector: EM Calorimeter: electron (7GeV) positron (4GeV) KL and muon detector: Resistive Plate Counter (barrel outer layers) Scintillator + WLSF + MPPC (end-caps, inner 2 barrel layers) Particle Identification Time-of-Propagation counter (barrel) Prox. focusing Aerogel RICH (fwd) Central Drift Chamber He(50%):C2H6(50%), Small cells, long lever arm, fast electronics EM Calorimeter: CsI(Tl), waveform sampling (baseline) (opt.) Pure CsI for end-caps Vertex Detector 2 layers DEPFET + 4 layers DSSD Beryllium beam pipe 2cm diameter 2016/1/22

BKLM EKLM ECL new electronics CDC: ready at side room First TOP module installed. Last module under production

VXD (from phase 3) and beam pipe Phase 2 beam pipe made Phase 3 BP under production 2016/1/22

Radiative B decays b → s , b → d  high energy photon SM b → s , b → d  high energy photon Flavor Changing Neutral Current (FCNC) process No “tree level” diagram possible in SM (small) Penguin diagram is the lowest order term (u, c,) t quark and W boson in the SM. Possible NP contribution in the loop Observables Branching Fraction CP asymmetry Isospin asymmetry Photon polarization U. Haisch, hep-ph/0805.2141; ATLAS curve added by Steve Robertson 2016/1/22

Photon polarization in bgsg (fTCPV) 標準模型で電弱相互作用は左巻き bs からの はほとんど左巻き BgXsC(CP)g (e.g. BgKSp0g)は、CP固有状態…ではなく、始状態のフレーバーが規定できる（gR, gLで区別される）状態。TCPVは起こらない。 BgXsC(CP)g (BgKSp0g)にTCPV がある → 右巻きカレントがある → 新物理 Outer layers of Belle II SVD (日本担当) 𝑆 SM ~−2 𝑚 𝑠 𝑚 𝑏 sin 2 𝜑 1 ~0.04 AGS [Phys.Rev.Lett. 79, 185 (1997)] AGHS [Phys. Rev. D 71, 076003 (2005)] 実は、TCPV　BgKSp0g の測定は容易ではない p+ p- Ks IP profile B vertex g B decay point reconstruction with KS trajectory (and IP profile) 崩壊点位置検出器の覆う半径内でKSが崩壊しないといけない。 半径方向に大きな崩壊点位置検出器が必要。 2016/1/22

Results from Belle, future prospect All results consistent with zero so far 𝑆=−0.10±0.31±0.07 PRD74 111104(R), 2006 In the SM 1 0.1 S 10 B  K* B   Belle results 50 SM(K*0) SUSY Improvement by Belle II (Ks vertex) Luminosity [ab−1] |S(K*0)| < 0.03, S(0) ~ 0 Possible deviation from SM O(1): Warped extra dim. O(1): L-R symmetric model O(0.1): SUSY SU(5) hep-ph/0609037 S(K*0) = 0.027 @ 50 ab−1 S(0) = 0.075 @ 50 ab−1

Belle II Collaboration As of Feb. 2016 日本　（１３機関・156名） KEK (57) 東京大学 (8) カブリ数物連携宇宙研究機構 (3) 名古屋大学 (21) 奈良女子大学 (8) 新潟大学 (7) 東北大学 (12) 大阪市立大学 (3) 東邦大学 (3) 首都大学東京 (10) 山形大学 (1) 千葉大学 (2) 核物理コンソーシアム (21) 23countries/regions 98 institutions >600 researchers Europe 262 Austria 13 Czech 6 Germany 96 Italy 69 Poland 12 Russia 44 Slovenia 18 Spain 2 Ukraine Asia 313 Saudi Arabia 5 Australia 26 China 22 India 33 Japan 156 Korea 37 Malaysia 7 Vietnam 4 Taiwan 20 Thailand 1 Turkey 2 America 111 Canada 26 Mexico 10 USA 75

まとめ Super KEK Bファクトリーは、日本が世界をリードする素粒子研究の最先端分野。世界中から600名を超える研究者が参加。 加速器の運転が始まった。そうそうお目にかかれない凄いこと。 測定器建設が佳境。京都出身者が活躍している。 2015/6/23