Belle II 実験におけるBhabha散乱のトリガー条件の検討

奈良女子大学大学院 人間文化研究科
物理科学専攻 高エネルギー物理学研究室

福井 千尋
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目次
 Belle II 実験
Bファクトリー実験とその高度化

SuperKEKB加速器

Belle II 測定器

 低マルチプリシティ事象とBhabha散乱 γγ*→π0事象
 Bhabha散乱 輻射補正とイベントジェネレーター

 Bhabha散乱のトリガー条件
 Belle 実験でのトリガー
 Belle II 実験での改善の可能性
 Bhabha識別条件の付加

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 まとめ

Belle II 実験

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Bファクトリー実験とその高度化
 B中間子を大量に生成し、その崩壊過程を研究

 高エネルギー加速器研究機構(Belle実験)とSLAC国立加速器研究所

ではB中間子の崩壊におけるCP対称性の破れを測定→ 小林・益川のノーベル物理学賞にも決定的な貢献
 B0→ΦK0やB0→η’K0など稀崩壊過程におけるCP非保存の測定による新物理の探索→ 更なるルミノシティの向上が必要

 様々な物理過程（終状態に発生する粒子数が少ない低マルチプリシ

ティ事象など）も研究可能になる
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SuperKEKB加速器
 電子7GeV・陽電子4GeVの非対称エネルギー衝突加速器

 新物理探索のため、ルミノシティ向上(KEKB加速器で到達したルミノシティの約40倍)

 既存の周長3kmのトンネル内の加速器コンポーネントの置換によりアップグレード

 極低エミッタンスのビームを有限角度で衝突させるナノビーム方式

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Belle II 測定器
粒子識別・飛行時間測定(TOP)

電磁カロリメーター(ECL)
電子・光子のエネルギー測定

K±とπ±の識別

荷電粒子識別装置(A-RICH)
K±とπ±の識別

崩壊点検出器(PXD+SVD)

長寿命粒子識別(KLM)
中性K中間子、μ粒子検出
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中央飛跡検出器(CDC)
荷電粒子の飛跡・運動量測定

加速器の高度化に対応するよう検出器をアップグレード

低マルチプリシティ事象とBhabha散乱7γγ*→π0事象(低マルチプリシティ事象の代表)
 仮想光子とほぼ実光子の衝突によるπ0生成
 Transition Form Factor という非摂動論的QCDの最も基本的な量の一つ

 終状態では電子(or 陽電子)一つとπ0(→γγ:多くは近接)一つが検出される
 Bhabha散乱(電子・陽電子の弾性散乱)と識別が難しい

仮想光子 γ *を放出したe-(またはe+)は大きく散乱されて測定器に入る

→ γγ8

参考
Phy.Rev.D86,092007(2012)

Bhabha散乱 量子電磁気学(QED)に基づく最低次のファインマン図+ −= 既によくわかっている+ −e e →e e(i)(ii) e eeeγes チャンネルee

測定に必要なだけ記録すれば十分
 終状態が電子以外のフェルミγ

 測定器の較正やルミノシティe

t チャンネル

粒子対であれば(i)のみ。
Bhabha散乱は(ii)も寄与し、これが大きい O(α2)の反応9

最低次の断面積e  (k’)

(k)

θe
e

(p’)
不変振幅の絶対値の二乗

微分断面積10e(p)Mandelstam変数

最低次の散乱断面積< 微分断面積 >1

重心系エネルギーをΥ(4S) にあわせるとB中間子対を生成

dσ/dΩ[nb]0.1

σ e+ e− → BB ~ 1.1 nb

0.01

0.001

0.0001-1-0.500.5cosθ1

散乱角17゜＜ θ ＜163゜(重心系)で39.9 nb→ 事象を間引き(プリスケール)する
もしB中間子対の生成と同じレートにしたければ

111/40にプリスケール

輻射補正
Bhabha散乱のO(α3)補正項

e+ e− → e+ e− γ(i)ee(ii)e

e+ e− → e+ e−e(iii)e

γe



(iv)
ee

γγγe

e

e

e

γe

e

e

e

このような補正項も考慮してBhabha散乱を生成するイベントジェネレーター(BHWIDEプログラム)を用いた
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Bhabha散乱のトリガー条件

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Bhabha散乱の電磁カロリメーターでの全検出エネルギー

BHWIDEジェネレーターで散乱角19.7゜＜ θ ＜160.3゜(重心系)

エネルギー[GeV]

全検出エネルギーが低い事象もある
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Bhbaha散乱はECLで検出するエネルギーが大きい！
(電子7GeV・陽電子4GeVの衝突実験)

電子・陽電子によるエネルギー損失
q=90°in CM

Backward endcap⇔ q=74.5°in lab.

74.5°
電子(7GeV)

陽電子(4GeV)

Edet2

Edet1
Barrel15

Forward endcap

Edet1,Edet2の分布(電子7GeV・陽電子4GeVの衝突実験)

エネルギー[GeV]

電子が支配的
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エネルギー[GeV]

陽電子が支配的Edet1のθ1依存, Edet2のθ2依存

Barrel と Backward endcap とのGap

Edet1 [GeV]

Edet2 [GeV]

Forward endcap とBarrel とのGap

陽電子の散乱角θ2[°]17

電子の散乱角θ1 [°]ECLには内部検出器の配線や配管を通す隙間(Gap)がある

電磁カロリメーターにおけるトリガーセル(TC)（CsIカウンター 8,736 本）

4×4=16本のCsIカウンターの束= トリガーセル(TC) Belle / Belle II では全体で576個のTC衝突点(IP)18

 TC内の16本のカウンター検出エネル

ギー和 > 0.1GeV を要求

Belle実験でのBhabhaトリガーe-e+

同一のθ (ビーム軸からのpolar angle) にあるTCのエネルギーを足し、F1~F3,C1~C12,B1~B2とする。
それらの組み合わせ18通りを考慮

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Bhabha識別条件のパターン分布
Bhabha散乱 10,000 イベント

トリガー条件の番号

検出効率97%20

Bhabha識別条件のパターン分布
γγ*→π010,000 イベント

トリガー条件の番号

誤認率45%
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γγ*→π0事象のECLにおける全検出エネルギー

エネルギー[GeV]

Bhabha散乱と似てECLでとらえるエネルギーが非常に大きい
22Ex) パターン番号 = 3

Bhabhaトリガーの検討
eγγ*→π0

Bhabha散乱e+Gap

317 18317 18

Gapを考慮しているトリガー条件(パターン番号=3,4,17,18)で識別されたものについて考える。
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Bhabha散乱の場合
yエネルギーがTC1 = 最も大きいTCe+

φTCez

xECL

φTC – φe- = Δφe-y
ジェネレートされた
φe+
電子・陽電子e+z24

φTC – φe+ = Δφe+とする。

e-φe-xΔφe+かΔφe-のいずれかが±π rad になるBhabha散乱の方位角の差(Δφe+)Gapを考慮しているトリガー条件(パターン番号3,4,17,18のどれか)で識別されたもの

Δφe+ = φTC – φe+yφe+TC1

φTCe+zex
ECL

Δφ1 [rad]±π rad に事象の集中がみられる
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Bhabha散乱の方位角の差(Δφe-)Δφe- = φTC – φey

TC1e+

φTCez

φe-xECL

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TC1の反対側にe+またはe-がくることを要求してもBhabhaを失わない

Δφe- [rad]e+ がTC1を作る場合がある

γγ*→π0過程(陽電子が大きく散乱した場合)の方位角の差(Δφe+)Δφe+ = φTC – φe+yTC1

φTCe+zφe+xECLΔφ1 [rad]TC1がπ0によるもの
27±π rad にくる事象もあるが、量は少ない

γγ*→π0過程(電子が大きく散乱した場合)の方位角の差(Δφe-)Δφe- = φTC – φeyTC1φTCez

φe-xECLΔφe- [rad]TC1がπ0によるもの

28±π rad にくる事象もあるが、量は少ない

Bhabhaトリガー条件の追加
Belle実験でのBhabha識別トリガーにおいてGapを考慮している条件(パターン番号=3,4,17,18)で識別されたものについて以下の条件を追加
yTC1

 Bhabha散乱事象
TC1の反対側にe-またはe+がある

ee+zx
ECL

 γγ*→π0事象
・ ほとんど、大きく散乱されたe-(またはe+)がTC1をつくる
・ 反対側に荷電粒子なし

yTC1ezTC1のφとe-(またはe+)のφの間の相関に着目
29π0xECL

結果
Gapを考慮している条件(パターン番号=3,4,17,18)で識別されたものに新たに方位角の差の条件を追加した。
 Bhabha散乱事象→ 失われない γγ*→π0事象 (全10,000事象)→ TC1の反対側にe- またはe+がある

479 events

これはBhabhaから見分けられない。
γγ*→π0として4.8%のロス
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まとめ Belle II 実験ではBelle 実験の約40倍のルミノシティを目標にし、高頻度の事象の記録を可能にする。

 高ルミノシティの実験により、様々な物理過程もこれまでにない感度で研究の対象になる。この中には低マルチプリシティ事象が含まれる。

 低マルチプリシティ事象の一つであるγγ*→π0事象はBhabha散乱に誤認されやすい。→ 45%が誤認される

 今回検討した、TC1とe+ またはe- の方位角の差に関する条件の追加でγγ*→π0事象をBhabha散乱と誤認する確率が4.8%まで低減可能。

 中央飛跡検出器と電磁カロリメーターのように複数の測定器コンポーネントの情報を組み合わせる高レベルトリガーの設定と運用が求められる。

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