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B ファクトリー と フレーバ物理の歩み 名古屋大学　大島　隆義　

B ファクトリー と フレーバ物理の歩み 名古屋大学　大島　隆義　. PowerPoints from 山内、羽澄、幅、飯嶋プレゼン. Prologue B ファクトリー　　　 標準理論最後の未解決課題　 CPV 　への挑戦. 小林・益川　 CP 位相. Neutrino mass (Oscillation). Higgs. たった二つの CPV 反応 K 0 中間子崩壊　と　 B 0 中間子崩壊. 1964 Cronin & Fitch 1973 Kobayashi & Maskawa. 1930 Pauli. Chapter 1

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B ファクトリー と フレーバ物理の歩み 名古屋大学　大島　隆義　

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Presentation Transcript

  1. Bファクトリー と フレーバ物理の歩み 名古屋大学　大島　隆義　 PowerPoints from 山内、羽澄、幅、飯嶋プレゼン

  2. Prologue Bファクトリー　　　 標準理論最後の未解決課題　CPV　への挑戦 小林・益川　CP位相 Neutrino mass (Oscillation) Higgs たった二つのCPV反応 K0中間子崩壊　と　B0中間子崩壊 1964 Cronin & Fitch 1973 Kobayashi & Maskawa 1930 Pauli

  3. Chapter 1 ● CP= 　粒子世界　⇔　反粒子世界 Dirac方程式 粒子 反粒子

  4. b b B0中間子 ボトム 反ボトム d d ダウン 反ダウン KEK BファクトリーでのB中間子生成 _ e+(3.5GeV) e-(8GeV) g(4s) gB0B0 ウプシロン 10.58 GeV/c2 寿命　t(B0) = 1.537 ps 質量　M(B0) = 5.279 GeV/c2 ~50% B0中間子 (4s)の生成レート：1秒間に中性B中間子対を約5ペア年間約１億個の中性B中間子:B0とB0が同数生成される. （ほぼ同数の荷電B中間子対B+B-も生成される）

  5. weak strong elemag ga e GF

  6. ●相互作用　と　KM行列　（CP位相とUnitarity）●相互作用　と　KM行列　（CP位相とUnitarity） B　物理においては、 top mass の異常な重さが 本質的に重要な役目 を果たす d d' b' b 質量固有状態 u Euler angle ただし、 ３次元複素空間 s フレーバ固有状態 s' t 波動関数は複素関数 ⇒実空間と虚数空間の回転 c

  7. ●相互作用　と　KM行列　（CP位相とUnitarity）●相互作用　と　KM行列　（CP位相とUnitarity） imag Euler angle ただし、 ３次元複素空間 f real 波動関数は複素関数 ⇒実空間と虚数空間の回転

  8. KM Flavor eigenstate u Mass eigenstate CKM V*ud(s,b) d(s,b) • 3X3 unitarity triangle has • 3 rotational angles and • one comlex phase. W－ CPV Kobayashi-Maskawa (1973) Mixing ⇒ Flavor changing Mixingがなければ　⇒　Family (UP⇔DOWN)間の遷移のみ。 　　　　　　　　　　　　　　⇒　自然はシンプル（原理的に）、かつもっと豊富（現象的に）。 Mixing（原理的に複雑）のせいで　⇒　自然は単純（原理的、現象的）に。

  9. The Unitarity Triangle Wolfenstein KM unitarity B-B mixing

  10. Time-dependent CP violation in B decaysincluding direct CP violation 羽澄昌史　（KEK)　　　於　北海道大学

  11. ●中間子の重ね合わせ　と　振動　（Beauty Oscillation ） 質量固有状態 y = y0e-iMt B0 粒子の状態空間 質量固有状態 と フレーバ固有状態 B0= ( BH+BL ) , B0= ( BH-BL ) , ~ exp(-if) = exp(-2iftd) BH MH ML 1 2p e-iMHt 波の重ね合わせ 1 2q B0 複素空間での回転（±f） q p e-iMLt BL =f１

  12. 共通振動数 減衰項 うなり項 DM 2 DM 2 G 2 B0 (t) = e–iMt e-t cos t B0(0) – i(e-2iftd) sin t B0(0) 波の重ね合わせ DM 2 DM 2 B0 (t) = -ie–iMt e- t sin t B0(0) + i (e-2iftd) cos t B0(0) G 2 e2iftd ( MH + )/2 MH - M = ML DM = ML 左回転 , B0 e-2iftd 右回転 B0 B0 (t) B0 B0 (t) B0 e-2iftd Beauty oscillation

  13. e-iftd e-iftd e+iftd d e+iftd

  14. B0B0 mixing Dilepton events 1.1 < Pcms <2.3 GeV/c -0.8<cosqcms<0.95 A(DZ) =(Nos-Nss)/(Nos+Nss) DZ taken as distance of two decay Vertecies PDG2002 Dm = 0.489±0.008 ps-1

  15. Chapter ２ HighLight-1 従来の加速器を超えるKEKB 世界最高のルミノシティーを達成！ わが国の加速器研究者の能力 未知への挑戦

  16. Mt. Tsukuba KEKB Belle ~1 km in diameter KEKB Collider 8 GeV e- x 3.5 GeV e+ 11mrad crossing Lpeak = 1.39 x 1034 sec-1cm-2 @ 1.2A x 1.6A - 275M BB 253 fb-1 on Y(4S) 28 fb-1 below Y(4S) ~287 fb-1

  17. Luminosiry KEKB+PEP-II KEKB PEP-II

  18. HighLight-２ 非対称衝突加速器 量子力学とハイテクのDetector/ Belle tagging法 時間差Dt Y(4s) = (B0B0-B0B0) QMの非局所性 B0（B0 ）の振動oscillation と干渉interference

  19. Produce B and B by e-e+ collision Detect BJ/y Ks l+ l- J/y KS B0 e+(3.5GeV) e-(8.0GeV) B0 B0 t=0 K- Measure time-dependence B flavor tagging l- Method to study CPV Asymmetric collision w/ high luminosity Detector w/ good vertex & particle id. capability

  20. Belle Detector Aerogel Cherenkov cnt. n=1.015~1.030 SC solenoid 1.5T 3.5GeV e+ CsI(Tl) 16X0 TOF counter 8GeV e- Tracking + dE/dx small cell + He/C2H5 m / KL detection 14/15 lyr. RPC+Fe Si vtx. det. 3 lyr. DSSD

  21. シリコンバーテックス検出器（SVD) Seminar on Physics at KEK B Factory Masashi Hazumi (KEK)

  22. Belle Collaboration U. of Maribor U. of Melbourne Nagoya U. Nara Women’s U. National Central U. Nat’l Kaoshiung Normal U. Nat’l Lien-Ho Inst. of Tech. Nat’l Taiwan U. Nihon Dental College Niigata U. Osaka U. Osaka City U. Panjab U. Peking U. Princeton U. Riken Saga U. USTC Seoul National U. Sungkyunkwan U. U. of Sydney Tata Institute Toho U. Tohoku U. Tohuku Gakuin U. U. of Tokyo Tokyo Inst. of Tech. Tokyo Metropolitan U. Tokyo U. of A and T. Toyama Nat’l College U. of Tsukuba Utkal U. IHEP, Vienna VPI Yokkaichi U. Yonsei U. Aomori U. BINP Chiba U. Chuo U. U. of Cincinnati Frankfurt U. Gyeongsang Nat’l U. Hiroshima Tech. IHEP, Beijing ITEP Kanagawa U. KEK Korea U. Krakow Inst. of Nucl. Phys. Kyoto U. Kyungpook National U. U. of Lausanne Jozef Stefan Inst. w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w w

  23. Chapter 3 HighLight-３ K中間子以外での Large CPV （B0→J/Y+KS) の検出 Mixing CPV 小林・益川　＆　三田　　　　の予想を確証

  24. Box + Tree The Golden Decay • Tree ～位相なし

  25. DM 2 DM 2 ｜B0 (t)→ｆ＞ = k ｜B0 (0)→ｆ＞ cos t – i (e-2iftd) sin t R ｜B0 (t)→ｆ＞ = -ik ｜B0 (0)→ｆ＞ sin t + i (e-2iftd) cos t R DM 2 DM 2 e2iftd G 2 ｜B0 (0)→ｆ＞ k= e-iMt- t , R = = 1 ｜B0 (0)→ｆ＞ 1 – sin(2ftd) sin(DMt) P(B0 →f；ｔ) = e-Gt For B0→J/Y+KS P(B0 →f；ｔ) = e-Gt 1 + sin(2ftd) sin(DMt) P(B0 →f；ｔ) - P(B0 →f；ｔ) Asymmetry = = sin(2ftd) sin(DMt) P(B0 →f；ｔ) + P(B0 →f；ｔ)

  26. cc1,cc2J/y+g s=7.0 MeV/c2 y’ sM=4.1 MeV/c2 cc1 cc2 y’m+m-,e+e- s=12.1 MeV/c2 sM=9.3 MeV/c2 in inclusive J/y events Mll (GeV/c2) M(KSp0p0) (GeV/c2) Mllg-Mll (GeV/c2) M(KSp+p-) (GeV/c2) Sub decay modes J/y m+m- s=9.6MeV/c2 J/y e+e-(g) s=10.7MeV/c2 Mll (GeV/c2) p0

  27. : 140/fb

  28. HighLight-４ Direct CPV （B→pp) の検出 Direct CPV K0中間子　Re(e’/e) ～２ｘ１０－３ KM理論と標準理論の確証　　

  29. Tree AD = Penguin Other fCP B0gp+p p+p- : 231.4 Kp : 83.3 qq : 168.3 total : 483 + 0.86 < LR High quality 140fb1 Polution?? 1529 candidates (801 B0- and 728 B0-tags) containing (372  32)p+p-signal events

  30. Decay rate with direct CP violation C A is also used ex) Seminar on Physics at KEK B Factory Masashi Hazumi (KEK)

  31. 2007 2004 2003 2002 2005 2005

  32. Asym. in B0→J/y + K0 Asym. in B0→p+p-

  33. HighLight-５ 多面的に攻略 CP三角形は？ 多面的（多数の崩壊モード）探究が可能

  34. 他の崩壊様式の図

  35. Tau physics Charm physics Two-photon physics Radiative return physics Narrow resonance physics s(gg→pp) measurement in two photon process teh (LFV) tfKn New resonanceZ(4430) Future prospect of LFV tdecay tmg (LFV)

  36. Highly Cost Effictive Variety of Physics Outputs

  37. Chapter ４ まとめ

  38. KEKB/Belle　は大戦果 • ●　世界最強度の加速器 • ●　CP現象の検出 • わが国の加速器素粒子実験（加速器＆実験） • の集大成。 • INS（核研）；KEK-PS;TRISTAN

  39. TRISTAN (1981-1998) INS(1956-1997) PS(1971-2004)

  40. ２．　わが国理論＆実験研究者　 　　　　　　の歴史的成果 ●　小林・益川 　 　三田 ●　Belle

  41. ３．　現象論的研究から　本質論（物理論）へ３．　現象論的研究から　本質論（物理論）へ ●　標準理論とCPV SM →　Higgs（SSB)　→　CPV CPV；CP位相は Higgsのどこを観ているのか？

  42. B物理、特に、 CPVはtop-quarkのズバ抜けた重さ が GIM mechanismのバランス（ GIM suppression）を崩し、 boxやpenguin diagramの寄与を大きく全面に押し出す。 その結果が、CPVやFlavour Changing Neutral Current (FCNC)のrare decayの著しいenhancement である。 Higgsが、その現象の底辺を構成する。 本来は、Higgs-Gauge boson, Fermion- Gauge boson相互作用部はCP対称に構成され、 Higgs-fermionの相互作用部がCP非対称である。 それが質量問題、つまり、 Spontaneous Symmetry Breaking (SSB)を介し、 対称性の破れがFermion-Gauge boson部へ 転位する。

  43. Fermions Gauge bosons Higgsscalars

  44. Fermions – Gauge bosons P変換：　left-handedとright-handedの相互作用が異なる。 C変換：　vectorとaxial vector相互作用が対称性を破る。 しかし、 CP反転ではvectorもaxial vectorも同じように変換。 CP不変。

  45. Gauge bosons - Higgs PもCも、したがって、CPでも対称。 Fermions – Higgs Higgsによるscalarとpseudoscalar相互作用のmixのため、 PもCもCPも破る。 つまり、 すべてのCP violation はfとHの相互作用に起因！

  46. Fermions-Higgs SSBのもとで、L(f, H)もfermionsに質量を与える。 , ＝quark mass matrix　（真空期待値とquark-Higgsの結合常数に依存）。 L(f, H)は、Dirac mass term項に変身。 質量固有状態に対角化 unitary変換を , L(f, H)は、PもCもCPもすべて保存する！ Non-physical quark場がphysicalなquark場に。 L(f,G)がしわ寄せを受ける。 その結果が、charged currentでのP、C、CP violation。 いわゆる、小林・益川行列quark mixing matrix Vは、 V=ULU’ +L

  47. ３．　現象論的研究から　本質論（物理論）へ３．　現象論的研究から　本質論（物理論）へ ●　自然界は対称。 非対称が自然！ Nature Natural なぜ、 破れが測定されたような状態であるか？

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