SuperKEKB第3階段(Belle II物理運行)開始

2019-06-12 20:54:39

2019年3月11日,SuperKEKB項目的第3階段運作開始成功,標志著日本領先的粒子對撞機發展的一個重要里程碑。這個階段將是項目的物理運行,其中Belle II實驗將開始使用完全儀器化的探測器獲取數據。

KEKB加速器于1999年至2010年運行,目前擁有電子正電子對撞機的世界紀錄光度。其繼任者SuperKEKB計劃在其使用壽命期間達到40倍的亮度。

Belle II和SuperKEKB有望成為世界上第一家超級B工廠。Belle II的目標是積累比其前身Belle多50倍的數據,并尋找隱藏在亞原子粒子中的新物理,這些粒子可以揭示早期宇宙的奧秘。

進展

完成2010年數據的Belle實驗以及其在美國BaBar的競爭對手,證明了B介子的弱相互作用中的電荷 - 奇偶性違規(CPV)。這一發現得到了諾貝爾基金會的明確認可,并導致2008年諾貝爾物理學獎授予了Makoto Kobayashi和Toshihide Maskawa教授,他們在弱相互作用中發展了CPV理論。

Belle II / SuperKEKB工廠于2010年底開始大規模升級.OverKEKB將通過將光束縮小到“納米光束”尺寸,在碰撞點小于20倍,實現其目標,即KEKB的40倍亮度。在KEKB實現光束尺寸,同時使光束電流加倍。這些變化將導致更大量的數據以及更大的光束背景。Belle II旨在處理這些情況。

2016年2月,SuperKEKB加速器的第1階段調試成功完成。低輻射安培級光束在兩個環中循環,但不可能發生碰撞。然后安裝超導最終聚焦磁鐵和Belle II外探測器。第二階段是Belle II的試運行,于2018年3月開始,第一次碰撞記錄在4月26日凌晨。第二階段的初步結果顯示在2018年的國際會議上。

對于階段3,完成了完整衰減VerteX Detector(VXD)的安裝。通過這一改變,Belle II現已配備齊全并準備好接收物理數據。

百麗II的目標

升級的Belle II實驗的目的是尋找新的物理現象,這些現象是粒子物理學標準模型無法解釋的,同時對已知現象進行精確測量。電子 - 正電子碰撞在干凈的環境中產生大量的B介子對,沒有其他伴隨的粒子。可以研究這些衰變以找出與公認理論的偏差。如果發現統計上顯著的差異,這將是自1970年代標準模型開發以來新物理學的首批發現之一。

為了證實這樣的發現,必須觀察到比過去的電子 - 正電子設備中產生的B對多很多倍。為了實現這一目標,Belle II計劃成為世界上第一個超級B工廠,創造了原來Belle實驗事件數量的50倍,該實驗本身就產生了7.6億個此類事件。

背景資料

宇宙中所有可見物質都是由原子組成的,原子由原子核和周圍的電子組成。核子是質子和中子的集合體,統稱為核子,它們本身由稱為夸克的較小粒子組成。目前對基本粒子物理學的理解是,夸克與電子和中微子等輕子一起是不可分割的“基本粒子” - 也就是說,可能的最小單位是無法進一步分解的。

除了夸克和輕子之外,還存在稱為“力載體”的粒子,其介導基本粒子之間的相互作用,其產生電磁力以及強弱力。2012年在歐洲核子研究中心發現并被2016年諾貝爾物理學獎認可的希格斯粒子與賦予基本粒子質量的機制有關。重力也被認為是由尚未被直接檢測的力載體攜帶的。

夸克不能單獨存在,總是以成對或三個一組的形式出現。由三個夸克組成的粒子,例如質子和中子,被稱為重子,夸克對被稱為介子。

這些基本粒子和力的行為在粒子物理學標準模型(SM)中描述。然而,眾所周知,SM是不完整的; 超出理論范圍的現象仍然存在,例如物質優于反物質以及暗物質和暗能量的存在和性質。為了全面了解宇宙的本質和物理定律,有必要研究物理超越標準模型(BSM)。

近年來,全世界對B物理學中的一些新物理提示感到非常興奮。Belle II將積累足夠的數據,以確認或排除未來十年的這些可能性。

Belle II術語解釋

SUPERKEKB加速器

SuperKEKB是日本最大的電子 - 正電子對撞機,在KEK Tsukuba校區地下11米處建造。每個環的周長約為3千米。光束碰撞的總能量約為105億電子伏特(GeV,或千兆電子伏特)。光束是不對稱的,以便產生在它們產生之后飛出的衰變顆粒,因此可以被跟蹤。每個光束的設計電流也大約翻倍,正電子束為1.8安培(A)至3.6 A,電子束為1.4 A至2.6 A.

百麗二號探測器

Belle II探測器是圍繞SuperKEKB加速器碰撞點的超大探測器。Belle II的長度,寬度和高度分別約為8米,重達1,400噸。該探測器的目的是測量由介子衰變產生的粒子的軌跡,并識別這些粒子的類型并重建它們的能量和動量。它類似于數碼相機,可測量有關粒子衰變的所有相關信息。

BELLE II合作

Belle II是一項國際合作,來自全球26個國家和地區的約900名研究人員,包括日本,亞洲,大洋洲,歐洲,美國,俄羅斯和中東。研究人員就子檢測器和實驗操作的設計,組裝,測試和調試進行了合作。物理數據分析將由位于世界各地的國家實驗室和大學計算機系統的分布式計算網絡執行,以KEK的計算研究中心為中心。

亮度

亮度是光束中有多少粒子可以相互碰撞的指標。通過粒子交互的“橫截面”乘以亮度,得出每單位時間創建的交互總數。KEKB加速器的電子 - 正電子發光度為2.1×1034 cm-2 s-1,而SuperKEKB的目標是達到80×1034 cm-2s-1。

頂點檢測器(VXD)

Belle II的VerteX探測器(VXD)系統是重建B介子衰變頂點的基礎。它由硅PiXel探測器(PXD)的兩個內層組成,實現了僅75微米厚的傳感器,接著是四層硅頂點探測器(SVD),它由雙面硅條傳感器組成,并通過創新的“折紙”技術,允許將讀出電子元件放置在傳感器頂部的有效音量中。這種先進的跟蹤設備的組裝花了十年時間,在全球八個不同的裝配站點,超過150人的努力遍布全球。

光束背景探測器(BEAST)

BEAST是指靠近SuperKEKB交互點的探測器組,它在光束調試期間就地測量光束背景。每個探測器專門用于測量單個背景成分,例如SuperKEKB光束注入產生的背景,快速或熱中子,或Belle II上的輻射劑量。其余的BEAST探測器及其測量結果用于了解和改善光束條件,減少第3階段的背景,并確保Belle II探測器在Belle II的整個計劃壽命期內的保護和使用壽命。