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第8回 ILCメディア勉強会

電子・陽電子衝突型加速器実験の発展
名古屋大学 素粒子宇宙起源研究所（KMI） 教授
KEK 素粒子原子核研究所 特別教授
Belle II 実験スポークスパーソン
ILC推進パネル委員

飯嶋徹

飯嶋

2022年3月8日

SuperKEKB/Belle II 実験

Belle II測定器
一周3キロの主リング
電子陽電子
SuperKEKB加速器

陽電子ダンピングリング
長さ600mの入射器

写真提供：KEK/Belle II2KEKB/Belle（第一期）からSuperKEKB/Belle II（第二期）へ

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KEKB/Belle実験の成功 :「小林益川理論」を実験的検証

小林氏・益川氏

2008年ノーベル物理学賞受賞

Belle測定器

私たちの宇宙の創生には標準理論を超える「新しい物理」が必要！

新物理の探索を目的SuperKEKB/Belle II実験へ

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宇宙論・宇宙物理

素粒子と初期宇宙史

WMAP衛星ダーク・エネルギー (73%)

Big Bang !

10-44 力の大統一

ダーク・マター(23%)

10-36

超弦理論

1032/1019

新しい物理10-10~1 TeV

X?

1028/1015

超対称性

ゲージ理論

H1015/100

ℓ

時間（秒）

ヒッグスWq標準理論

Zℓqクォーク/レプトン
ニュートリノν

新しいハドロン状態

ν1012/0.1

QGP (クォーク・グルーオン・プラズマ）

温度/Ｅ（Ｋ/ＧｅＶ）

加速
物質優勢宇宙(エ 器のネル フギー ロンテと強 ィア度)
10-5qqqq

ハドロンqq qqqqq q

原子核

元素合成

p nn p4

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消えた反粒子の謎

動画提供：KEK粒子

反粒子

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CP 対称性の破れ

図提供：KEK

粒子と反粒子に働く物理法則の対称性が破れていないと、物質優勢の宇宙はできない。
この非対称性を “CP 対称性の破れ” と呼ぶ。

7SuperKEKB/Belle II実験
Belle実験の50倍のB中間子や、チャーム粒子、タウレプトンの崩壊を測定して、新物理の信号検出を目指す

動画提供：KEK

CP対称性の破れの歴史• 1964年 K中間子の崩壊で発見• 1973年 小林－益川理論– クォークが６種類あればCP対称性は必然的に破れる。
– 当時知られていたクォークは３種類à後に全て発見された。

• 1981年 三田ら（カーター・三田論文）がB中間子崩壊で大きなCPの破れを予言。
Bにおける大きなCPの破れは、小林-益川理論を含む標準理論の最終課題のひとつであった。

89

小林-益川理論• クォークは6種類あり、3つの世代を構成する。
– 当時知られていたクォークは3種類。
• クォークは世代間で混合し、この時CPが破れる！

! u " !c " ! t "1# d $ # s $ #b $Q=−
3 %& % & % &Q=+

23b(s, d)uV*ub(s,d)

ヒッグス機構+W（質量有限）⇨ 質量＋混合⇨ CPの破れ

B中間子

bdbd

B中間子

反B中間子

質量は陽子の約5倍程度（mB = 5.28GeV/c2)
寿命は0. 000 000 000 00152 秒（τ B= 1.52 ps）

Bファクトリーで崩壊の違いを精密に測る。

1010

11

Bファクトリー（B工場）での測定
電子-陽電子衝突で大量のBB中間子対を生成する。
J /ψ

B

Ke

電子（8GeV）
e−+B

0陽電子（3.5GeV）
e−

J /ψ

この違いを検出
B

Ke

電子（8GeV）
e−

B+0陽電子（3.5GeV）e+

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実験のがんばりどころ• B中間子寿命はわずか1.5ピコ秒しかない！
– １ピコ秒＝0.000000000001秒– 飛行距離は20ミクロン程度。

• 非対称エネルギー衝突（8GeV電子＋3.5GeV陽電子）• B中間子が前方に勢いよく飛び出す。
寿命が延びる• 飛行距離は200ミクロン程度。

最先端の技術を使えば測定可能
非対称的衝突13

加速器の挑戦• 見たい崩壊（B0àJ/ψKs)はめったにおこらない（10万回に1回）。
• 高輝度（ルミノシティー）の電子－陽電子衝突を実現• 年間に１億個のB－反B中間子対を生成“B中間子工場（Bファクトリー）”
KEKB加速器は世界最高強度のマシン

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KEKB加速器

e-（8GeV)• 世界最高強度を誇る加速器で大量のB中間子と反B中間子を生成。
• 主要目的：粒子-反粒子（CP）
対称性の破れの謎を解明。

e+（3.5GeV)
ルミノシティー
2.1 x 1034 cm-2s-1 !
年間約2億対のBBを生成

世界最高輝度を達成！
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The B Factories (1998~)

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The two B factories have successfully achieved the design
luminosity, and contributed to confirmation of the CP violation.
KEKB / Belle

Luminosity ~1034cm-2s-1

PEP II / BaBar~10 BB/s

~108 BB/year

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日米の熾烈な競争• 米国SLAC研究所のPEP II/BaBar実験とのルミノシティーの比較

KEKB

PEP II“太る”ビームとの闘い

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18

大電流との闘いB中間子崩壊点再構成
シリコンバーテックス検出器

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Bファクトリーによる小林-益川理論の検証

B0 tag_B0 tag
Press release from the Academy“As late as 2001, the two particle detectors BaBar at Stanford, USAand Belle at Tsukuba, Japan, both detected broken symmetries
independently of each other. The results were exactly as Kobayashi
and Maskawa had predicted almost three decades earlier. “21

2010年６月KEKB/Belle 実験完了！

21新物理の探求
Belle

素粒子の物理粒子・反粒子の違い（CP対称性の破れ）（小林益川理論）

2008 

新しい物理

Belle II 新物理におけるCP対称性の破れ
未知の素粒子（暗黒物質候補）の理解

粒子・反粒子の違いから、私たちの物質優位の宇宙ができた可能性

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23

次のチャレンジ＝夢• Bファクトリー実験で小林益川理論を検証！
• 次のチャレンジ＝夢は「小林益川を超える」、「小林益川が説明できない現象」の発見！

スーパーBファクトリー
次なるノーベル賞へ！
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新物理探求の方法
エネルギーフロンティア:

ルミノシティーフロンティア:

超高エネルギービーム衝突によって、新粒子を直接生成し観測する。

既知の素粒子の反応を精密に測定し、標準理論からのズレを見つけ出す。

~TeV

~GeV

~MeV

Belle II

ATLAS

理論研究

c

新粒子

τ 

“群盲象を撫でる” 

tb
新粒子を”触る”プローブ

重たいクォーク・レプトン！25

ルミノシティ
ルミノシティ=（陽電子の個数）X（電子の個数）
衝突点の面積SuperKEKB

X（単位時間の交差回数）
目標値：
6x1035cm-2s-1

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新しい衝突方式
ビームを細くして衝突させる“ナノ・ビーム衝突”
ビーム衝突の様子
KEKB

SuperKEKB

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SuperKEKB加速器の概要「もっと知りたいSuperKEKB加速器」より
http://www-superkekb.kek.jp/documents/SuperKEKB̲pamphlet.pdf

28•より高い性能Belle II 検出器– エネルギー、運動量、崩壊点の測定精度、粒子識別性能•

より高いバックグランド耐性•

より大量のデータ処理性能
ミュー粒子・中性K中間子検出器
電磁カロリメータ
中央飛跡検出器
7GeV e-TOPカウンター
エアロゲルRICHカウンター
4GeV e+

崩壊点検出器
シリコンバーテックス検出器
ピクセル型検出器

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Belle II コラボレーション

26 カ国・地域
123の大学、研究機関から約1130名が参加（2022.3現在）計画の議論開始 2000年建設開始 2011年
2016/2-2016/6 試験運転
2018/3-2018/7 調整運転
2019/3- 本格物理運転（4/26 初衝突）
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SuperKEKB/Belle II 実験進行状況

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最高ルミノシティ: 3.81 x 1034cm-2s-1
世界最高記録!

積分ルミノシティ= 267fb-1

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まとめ
• 新物理探索を目指す SuperKEKB/Belle II実験が進行中。世界最高感度の物
理データ獲得を目指している。
• 日本は電子-陽電子衝突型加速器実験のフロントランナー• 世界最高ルミノシティを支える加速器技術• 精密測定を可能にする測定器技術• 国際共同研究の組織• Bファクトリー（KEKB/Belle →SuperKEKB/Belle II）の成功を、ILCにつなげたい！

SuperKEKB から ILC ヘ！

Belle II アウトリーチSNS@belle2collab@belle2japan (FB, Tw 日本語版）
一般向けウェブ:belle2.jp (英語、日本語） 

本日の図、写真の使用については、お問い合わせください。