SuperKEKB第3阶段(Belle II物理运行)开始

2019-06-12 20:54:39

2019年3月11日,SuperKEKB项目的第3阶段运作开始成功,标志着日本领先的粒子对撞机发展的一个重要里程碑。这个阶段将是项目的物理运行,其中Belle II实验将开始使用完全仪器化的探测器获取数据。

KEKB加速器于1999年至2010年运行,目前拥有电子正电子对撞机的世界纪录光度。其继任者SuperKEKB计划在其使用寿命期间达到40倍的亮度。

Belle II和SuperKEKB有望成为世界上第一家超级B工厂。Belle II的目标是积累比其前身Belle多50倍的数据,并寻找隐藏在亚原子粒子中的新物理,这些粒子可以揭示早期宇宙的奥秘。

进展

完成2010年数据的Belle实验以及其在美国BaBar的竞争对手,证明了B介子的弱相互作用中的电荷 - 奇偶性违规(CPV)。这一发现得到了诺贝尔基金会的明确认可,并导致2008年诺贝尔物理学奖授予了Makoto Kobayashi和Toshihide Maskawa教授,他们在弱相互作用中发展了CPV理论。

Belle II / SuperKEKB工厂于2010年底开始大规模升级.OverKEKB将通过将光束缩小到“纳米光束”尺寸,在碰撞点小于20倍,实现其目标,即KEKB的40倍亮度。在KEKB实现光束尺寸,同时使光束电流加倍。这些变化将导致更大量的数据以及更大的光束背景。Belle II旨在处理这些情况。

2016年2月,SuperKEKB加速器的第1阶段调试成功完成。低辐射安培级光束在两个环中循环,但不可能发生碰撞。然后安装超导最终聚焦磁铁和Belle II外探测器。第二阶段是Belle II的试运行,于2018年3月开始,第一次碰撞记录在4月26日凌晨。第二阶段的初步结果显示在2018年的国际会议上。

对于阶段3,完成了完整衰减VerteX Detector(VXD)的安装。通过这一改变,Belle II现已配备齐全并准备好接收物理数据。

百丽II的目标

升级的Belle II实验的目的是寻找新的物理现象,这些现象是粒子物理学标准模型无法解释的,同时对已知现象进行精确测量。电子 - 正电子碰撞在干净的环境中产生大量的B介子对,没有其他伴随的粒子。可以研究这些衰变以找出与公认理论的偏差。如果发现统计上显着的差异,这将是自1970年代标准模型开发以来新物理学的首批发现之一。

为了证实这样的发现,必须观察到比过去的电子 - 正电子设备中产生的B对多很多倍。为了实现这一目标,Belle II计划成为世界上第一个超级B工厂,创造了原来Belle实验事件数量的50倍,该实验本身就产生了7.6亿个此类事件。

背景资料

宇宙中所有可见物质都是由原子组成的,原子由原子核和周围的电子组成。核子是质子和中子的集合体,统称为核子,它们本身由称为夸克的较小粒子组成。目前对基本粒子物理学的理解是,夸克与电子和中微子等轻子一起是不可分割的“基本粒子” - 也就是说,可能的最小单位是无法进一步分解的。

除了夸克和轻子之外,还存在称为“力载体”的粒子,其介导基本粒子之间的相互作用,其产生电磁力以及强弱力。2012年在欧洲核子研究中心发现并被2016年诺贝尔物理学奖认可的希格斯粒子与赋予基本粒子质量的机制有关。重力也被认为是由尚未被直接检测的力载体携带的。

夸克不能单独存在,总是以成对或三个一组的形式出现。由三个夸克组成的粒子,例如质子和中子,被称为重子,夸克对被称为介子。

这些基本粒子和力的行为在粒子物理学标准模型(SM)中描述。然而,众所周知,SM是不完整的; 超出理论范围的现象仍然存在,例如物质优于反物质以及暗物质和暗能量的存在和性质。为了全面了解宇宙的本质和物理定律,有必要研究物理超越标准模型(BSM)。

近年来,全世界对B物理学中的一些新物理提示感到非常兴奋。Belle II将积累足够的数据,以确认或排除未来十年的这些可能性。

Belle II术语解释

SUPERKEKB加速器

SuperKEKB是日本最大的电子 - 正电子对撞机,在KEK Tsukuba校区地下11米处建造。每个环的周长约为3千米。光束碰撞的总能量约为105亿电子伏特(GeV,或千兆电子伏特)。光束是不对称的,以便产生在它们产生之后飞出的衰变颗粒,因此可以被跟踪。每个光束的设计电流也大约翻倍,正电子束为1.8安培(A)至3.6 A,电子束为1.4 A至2.6 A.

百丽二号探测器

Belle II探测器是围绕SuperKEKB加速器碰撞点的超大探测器。Belle II的长度,宽度和高度分别约为8米,重达1,400吨。该探测器的目的是测量由介子衰变产生的粒子的轨迹,并识别这些粒子的类型并重建它们的能量和动量。它类似于数码相机,可测量有关粒子衰变的所有相关信息。

BELLE II合作

Belle II是一项国际合作,来自全球26个国家和地区的约900名研究人员,包括日本,亚洲,大洋洲,欧洲,美国,俄罗斯和中东。研究人员就子检测器和实验操作的设计,组装,测试和调试进行了合作。物理数据分析将由位于世界各地的国家实验室和大学计算机系统的分布式计算网络执行,以KEK的计算研究中心为中心。

亮度

亮度是光束中有多少粒子可以相互碰撞的指标。通过粒子交互的“横截面”乘以亮度,得出每单位时间创建的交互总数。KEKB加速器的电子 - 正电子发光度为2.1×1034 cm-2 s-1,而SuperKEKB的目标是达到80×1034 cm-2s-1。

顶点检测器(VXD)

Belle II的VerteX探测器(VXD)系统是重建B介子衰变顶点的基础。它由硅PiXel探测器(PXD)的两个内层组成,实现了仅75微米厚的传感器,接着是四层硅顶点探测器(SVD),它由双面硅条传感器组成,并通过创新的“折纸”技术,允许将读出电子元件放置在传感器顶部的有效音量中。这种先进的跟踪设备的组装花了十年时间,在全球八个不同的装配站点,超过150人的努力遍布全球。

光束背景探测器(BEAST)

BEAST是指靠近SuperKEKB交互点的探测器组,它在光束调试期间就地测量光束背景。每个探测器专门用于测量单个背景成分,例如SuperKEKB光束注入产生的背景,快速或热中子,或Belle II上的辐射剂量。其余的BEAST探测器及其测量结果用于了解和改善光束条件,减少第3阶段的背景,并确保Belle II探测器在Belle II的整个计划寿命期内的保护和使用寿命。