Belle实验

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贝尔实验合作团队的识别标志

贝尔实验Belle experiment)为世界上两大B介子工厂之一,是一个国际合作的实验计划,使用日本高能加速器研究机构的KEKB加速器来进行CP对称性破坏的研究。贝尔实验的名称Belle由来,乃是因为此实验的研究需要产生大量的B介子,而产生的来源是由电子(electron)与正电子(电子的镜像反粒子,el)对撞生成的。

参与此实验的研究团队包含有来自17个国家,超过400位物理学家与技术人员所组成的。


历年发表的重要成果

  • 2008年8月5日:发现三种新的介子。
  • 2007年11月9日:再观测到新型态的介子。
  • 2007年8月13日:观测到中性D介子混合震荡英语Neutral particle oscillation现象。
  • 2007年3月2日:B介子衰变所显现出来的量子力学效应,量子纠缠现象的实证。
  • 2006年7月31日:观测到伴随中微子的B介子衰变过程。
  • 2005年6月30日:观测到新型态B介子衰变过程: b d {\displaystyle b\to d} 转移(transition)。[6]
  • 2005年3月1日:继续发现新粒子:量子色动力学的新发展。
  • 2004年8月20日:逐步阐明CP对称性破坏的现象。
  • 2003年11月14日:观测到新型态的介子。
  • 2003年8月20日:实验结果显示新物理的征兆。

贝尔实验相关的物理

贝尔实验的研究包含了多样化的物理过程。在之前所发表的期刊论文中,有着以下几个重要的研究方向:

  • B介子衰变中关于CP对称性破坏之研究
关于解释CP破坏的小林-益川模型进行精密量测的检验。
直接CP不守恒最早是在K介子的衰变系统下发现的,贝尔实验于2001年观测到首次不属于K介子系统的间接CP不守恒。之后Belle实验也在B介子系统下,观测到直接CP不守恒的现象:
  • B 0 π + π {\displaystyle B^{0}\to \pi ^{+}\pi ^{-}} (2004年)
  • B 0 K π + {\displaystyle B^{0}\to K^{-}\pi ^{+}} (2004年)
贝尔实验也透过 B D K , D K S π + π {\displaystyle B\to DK,D\to K_{S}\pi ^{+}\pi ^{-}} 这个衰变过程的达利兹(Dalitz)图分析,量测了卡比博-小林-益川三角的 ϕ 3 {\displaystyle \phi _{3}} 角。
同时关于卡比博-小林-益川矩阵的矩阵元素大小,也是众多研究课题之一。
  • | V u b | {\displaystyle |V_{ub}|}
  • | V c b | {\displaystyle |V_{cb}|}
  • B介子稀有衰变的研究
B介子衰变的过程中,间接侦测到可能的新型基本粒子的研究。贝尔实验观测到以下的几个稀有衰变过程:
  • B K l + l {\displaystyle B\to K^{*}l^{+}l^{-}}
  • b s l + l {\displaystyle b\to sl^{+}l^{-}}
贝尔实验也观测到 b d {\displaystyle b\to d} 跨两个夸克世代的稀有衰变。(CKM矩阵的阵列元素即衰变强度,每跨一个世代会有 λ {\displaystyle \lambda } 倍的抑制)
  • B介子以外的D介子、以及τ轻子衰变的研究
B介子工厂大量的B介子衰变过程中,相关基本粒子衰变的详细研究。
贝尔实验观测到 B τ ν {\displaystyle B\to \tau \nu } 衰变,也发现了称之为X(3872)的新型基本粒子。
  • 新型态重子的产生之研究
寻找可能由四个夸克所构成的新粒子,以及由五个夸克形成的五夸克粒子。
  • 双光子产生过程的研究
光子结构函数的研究。

KEKB加速器

凯克毕加速器(KEKB,即位于KEKB介子工厂)的前身为1986年完成的崔斯特(TRISTANトリスタン 原意为Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon,即日本可转移对撞型储存环加速器)对撞型加速器。此乃日本文部省高能物理学研究所耗资870亿日圆,费时五年所开发的环形对撞加速器,主要目标之一在于寻找顶夸克。但一如特里斯坦与伊索尔德悲剧般,顶夸克的质量远大于原先理论学家的预期,超过此加速器的原始设计,最后才在美国费米实验室的加速器中发现。KEKB沿用了原先崔斯特加速器的地下隧道,耗资380亿日圆进行偏转聚焦磁铁、束流管与超导高频加速空腔(Cavity)的升级改装工作,并于1998年完成开始运转。KEKB是一个以8.0 GeV能量的电子束与3.5 GeV的正子束对撞的非对称型加速器,由磁铁与加速空腔包覆的两个周长3公里的储存环组成。在其非对称式对撞能量的设计下,所产生的B介子对具有0.425罗伦兹推升(boost),使得B介子衰变时间相关的实验量测成为可能。在最近的一次升级计划中,KEKB加入了蟹形加速空腔英语Crab Cavity,希望能进一步提升亮度但未如预期,因此仍在校调当中。KEKB仍是目前(2009年6月)世界上,亮度最高的加速器,最新的世界纪录为 2.11 × 10 34 / c m 2 / s e c {\displaystyle 2.11\times 10^{34}/cm^{2}/sec} ,蓄积亮度超过950/fb。Belle实验在KEKB加速器,纪录了相当于超过六百多万个在对撞点产生的B介子对。

Belle实验大多数的数据,是在KEKB加速器于Upsilon介子4S共振态下所撷取的,Upsilon的此共振态几乎会完全衰变为一对B介子。为了背景事例分析,与特殊实验目的的需要,KEKB也可以在偏离4S共振态下运作。其中于Upsilon 3S共振态提供了暗物质与希格斯玻色子相关的研究,而Upsilon 5S共振态的数据则可以进行B_s粒子对(由反b夸克与s夸克所组成粒子与反粒子)的衰变分析。

贝尔侦测器

贝尔侦测器

贝尔侦测器位于KEKB加速器圆环束流管上的一个对撞点,其所在的实验大楼称作是筑波实验室,为一上两层楼、地下四层楼的建筑。该侦测器的大小约为8m x 8m x 8m(即约三层楼高的立方体),重量约为1,500公吨,纪录电子与正子对撞后,各式各样的物理反应过程。

贝尔侦测器是一个通用型的侦测器,包含了以下数个子侦测器:(依序由中心到最外层)

  • 前置量能器(Extreme Forward Calorimeter)
  • 硅顶点侦测器(Silicon Vertex Detector)
  • 中央漂移室(Central Drift Chamber)
  • 切连科夫计数器(Aerogel Cherenkov Counter)
  • 飞时计数器(Time of Flight)
  • 碘化铯(CsI)电磁量能器(Electromagnetic CaLorimeter)
  • K介子与μ子侦测器(K Long and Muon Detector)

经由这些子侦测器,在对撞点所产生的粒子衰变信息,将巨细靡遗地被纪录下来。其中,由SVD与CDC可以得知带电粒子的轨迹进而推算出其动量,而量能器则可以量测电子与光子的能量,最外层的KLM可以作为μ子鉴别器。贝尔侦测器有一项特别的侦测器,是使用了切连科夫辐射(Cerenkov Radiation)的原理,以气凝胶构成的侦测器,可以通过Pi介子与K介子发光的有无,判定以数十亿电子伏特高速通过的粒子种类。而其他B介子工厂所没有的前置量能器,则提供了即时的加速器亮度信息。

贝尔实验识别标志

贝尔实验团队的识别标志,是由一个黄色的字母B在蓝色的背景上所构成的。此乃因为贝尔实验的研究对象是B介子的衰变。而这个字母B实际上是由一个字母e与另一个镜像的e组成的,这是代表了KEKB加速器是以电子与正子(电子的反粒子)对撞,来产生B介子的。而下方的BELLE是Belle实验的英文名称,但是其实正确的写法应该是Belle而不是全部大写字母的BELLE。另一个可以注意的是,这个字母B所构成的两个字母e的大小不同,是代表了KEKB加速器的非对称式能量设计。但是,实际上KEKB加速器内对撞的电子能量较高(8 GeV),而正子能量较低(3.5 GeV),刚好与组成字母B的两个正反字母e大小相反。

B-Lab

B-Lab(ビー・ラボ)是一个让一般高中生参与,了解物理学家如何发现新粒子为目的的科学营活动。参加B-Lab活动的高中生,由高能加速器研究机构的研究人员指导,使用一小部分Belle实验的真实数据,来进行数据分析的工作。如果真的因此发现了新粒子,参加活动的学生,将可以留名在Belle实验的侦测器上。(不过目前还没有同学有发现未知粒子)为了让参加的高中生能够更快地进入状况,数据分析的工具不同于一般的研究人员使用Linux操作系统下的ROOT或PAW,而是使用Windows版的ROOT英语ROOT程式来进行。

Belle Plus

以高中生为对象,不定期举办的基本粒子科学营。目的是让一般的高中生可以体验,在Belle实验进行研究工作的科学家之研究生活。科学营的活动内容包含了有分析软件撰写的课程,以及硬件设计制作有关的活动。

诺贝尔物理学奖

2008年十月七日瑞典皇家科学院公布了2008年诺贝尔物理学奖的得主,其中之一即为前KEK基本粒子原子核研究所长(IPNS, Institute of Particle and Nuclear Studies)小林诚。同时,皇家科学院也强调了贝尔实验在于其有关CP破坏的理论验证上,扮演重要且关键的角色。也因此,KEKB加速器与贝尔侦测器于2010年至2013年的升级计划,得以获得KEK机构内部的支持,而正式提交给日本政府审核。

未来升级计划

贝尔实验团队,目前正提出Belle II的升级企划案于日本政府审核中。该计划将以100倍于目前的加速器亮度,产生更多的B介子,做更精确的物理测量。

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