165■研究紹介

Belle 運転
KEK 素粒子原子核研究所

宇 野

彰 二

shoji.uno@kek.jp
2011 年 11 月 25 日

1 はじめにていたのだからやりきれなかった。加速器屋さんとけんか1999 年 6 月 1 日にデータ収集を開始し，その後 SLAC のさながらの議論をすることもあれば，さる外国人がある程Babar 実験との熾烈な競争をしながら，B 中間子系での CP

度ルミノシティが出たときに加速器制御室に加速器をこれ

非保存の発見などの数々の成果をあげ，Belle-II 実験に向け以上いじるなと怒鳴り込んだこともあったと聞いている。

ての改良のために 2010 年 6 月 30 日をもってデータ収集をそんなこともあって，無用なけんかを避けるために Belle

終了した長きにわたる Belle 実験の運転を振り返る。

と加速器でどれだけ時間を使うかの取り決めをするようになった。詳しい話は省くが，それは一定の期間ごとに積分2 運転の歴史

ルミノシティを Belle 側に約束するというものであった(加最初の日はあまりにもスムーズであった。最初のビーム

速器の人からは，年貢または税金とも言われていた)。この衝突が始まると加速器屋さんによる調整もほどほどに待ちルールに従って，日々，グラフをつけて加速器に圧力をかきれなくなっていた外国人スポークマンから加速器制御室

けていたわけである。また，その当時は，Belle メンバーもに詰めていた筆者のところに中央飛跡検出器(CDC)の高電

ルミノシティの向上の一助になればと思い，色々な加速器

圧を早く上げろとの催促がきた。渋々，許可を出して筑波の仕事もした。もっとも顕著なことは，陽電子用ビームパ

実験棟に急ぐと着いたころにはすでに最初のハドロンイベ

イプに電子雲除去のためのソレノイド巻きを手伝ったこと

ントが観測されていた。何日も Bhabha イベントさえ見えである。この甲斐あってルミノシティが順調に伸び，日々なかったトリスタン実験の最初を見ていたわれわれにとっの積分ルミノシティが Babar を追い抜くことができた。

ては，その違いに驚くとともに本当に高ルミノシティマシ

B 中間子系での CP 非保存の発見もし，積分ルミノシティ

ンでの実験を開始したという実感のわく 1 日であった。

も Babar を超えて，しかも 100 fb-1 に到達し，意気揚々としその後はつらい日々が続く。現在，Belle 実験は順調にデーていた 2002 年の 10 月に Belle の衝突点ビームパイプに穴がタを収集し，大成功を収めた実験として内外から認識されあくという事故が起こった。まさに浮かれているなというていると思うが，最初は色々と大変であった。もっとも困天の声でもあるかのようであった。触れることも見ること難だったことは，時間依存 CP 非保存の測定に欠かさないもできない場所での事故なので，最初は何が起こっている

シリコン崩壊点検出器(SVD)の最内層が最初の 2 ヶ月の実のか理解するのに時間がかかった。ビームパイプの冷却に験で死んでしまったことである(実際のダメージはほんの数使われているヘリウムガスをアルゴンガスに代えたら加速

日の運転中と推察している)。この原因となったビームバッ

器の真空側でそのアルゴンが検出され，完全に観念して古クグラウンドに関しては後述するが，幸いにも予備を用意

いビームパイプに交換することになった。
もし交換するビー

していたので，最初の夏のシャットダウン中に交換するこ

ムパイプがなければ相当長期のシャットダウンも覚悟せざとが出来た。その後ほぼ夏ごとに SVD の交換を行いながら，る得ない重大な事故であったが，2 か月後に復帰すること

2003 年夏にいわゆる rad-hard なチップを搭載した SVD2が出来，Babar に積分ルミノシティで抜き返されることもを組み込み，その後は最後まで SVD2 を取り出すことはななかった。

かった。後で説明するように他のビームバックグラウンド

2003 年 5 月 9 日には，ピークルミノシティが KEKB の設も最初の 2  3 年間は相当悩まされたが，色々な角度からの計値である 1034 cm-2sec-1 に到達するうれしい日を迎えるこ

理解と対処を行うことによって，SVD2 の組み込み以降はとになった。設計段階で目標には掲げるが本当に到達でき大きな山は越えたという感じになっていった。

ると何人の人が考えていただろうかという数値に実際に到次の問題は，ルミノシティが競合相手である Babar 実験

達することができ，KEKB 加速器の人々に感謝するとともに負けていたことである。Belle と Babar は同じ実験である。

にあらかじめ用意してあった 15 リットルの巨大シャンパン

そこで統計量が半分くらいしかなく，しかも日々差は広がっを冷やすのに苦労した日であった。その後もピークルミノ

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シティは順調に伸び，しかも，後述する連続入射スキームの導入もあり，何と 1 日の積分ルミノシティが 1 fb-1 を超えることになった(図 1)。これは見かけだけになることもあるピークとは違い，実質的に驚異的な高ルミノシティマシ
ンでの実験を印象付ける記録となった。このころから加速器のビーム電流も頭打ちになり，ビームバックグラウンドも安定してきて，全体が安定期に入っていった。

図3

無事に最後のデータ収集を終えた Belle 制御室での記念写真

3 データ量Belle で記録した全積分ルミノシティはもちろん世界最大の 1040 fb-1 に達していて(図 2)，その内訳は表 1 の様であ
る。
表1

図1

各エネルギーでの積分ルミノシティ

日ごとの積分ルミノシティ

そこで，アップグレイドに向けての議論，準備，それに関連するハードウェアの改良などが始まった。ここでは省略するが加速器の crab cavity の導入が大きな改造であった。

Belle サイドでは，データ収集システムの改良を手掛けたり，¡(4S) 以外のエネルギーでのデータ取得なども行うようになった。最後の 2  3 年は，実験エネルギーの変更，予算の制約なども関係してルミノシティの積算傾斜は鈍ることになるが(図 2)，そんな中でもピークが設計値の 2 倍を超え
-1

-1

最初は ¡(4S) の共鳴状態に実験エネルギーを合わせて， Bたり，積分が 1 ab (1000 fb ) という新しい単位の大台に載中間子からの CP 非保存の発見や他の崩壊モードの詳細なるといううれしい記録を作りながら，無事に最後の日を迎研究がなされた。その間も B 中間子以外からの物理バックえることができた。図 3 は，最後のデータ収集を終えた Belleグラウンドを見積もるために，約 10 % 程度の時間を共鳴ピー

制御室での記念写真です。

クから 60 MeV 低い実験エネルギーでデータ収集を行った。
実験の比較的後半になって，BS 中間子からの崩壊モードの研究などを目的に ¡(5S) の共鳴状態でも比較的多くのデー
タ収集を行った。¡(1S) から invisible 崩壊の研究のために，
比較的短期間だけ ¡(3S) のデータ収集もした。さらに，¡(1S) ，¡(2S) の共鳴状態でもデータ取得を行った。この期間は比較的短かったが，高いルミノシティのおかげでこれまでの実験のデータ量を上回ることができた。また， ¡(4S) から¡(6S) までの間でエネルギースキャンも行われた。

4 ビームバックグラウンド
Belle 実験の最初のころの運転は，ビームバックグラウン
図2

積分ルミノシティ

ドとの戦いであったといっても過言ではないものでした。
きちんと書くと長くなるので比較的簡単に記述する。

167
最初に示すのが放射光によるバックグラウンドである。

これを解決するために CDC の高電圧をトリップさせるのでそれは高いエネルギーのビームからの放射光だけが問題ではなく，その間だけ電圧を少し下げると同時にデータ収集

2 つの成分がある。1 つ目は前方散乱と呼んでいるもので，を中断するようなモジュールを追加することによって，ロビームが衝突点に届く前に放射されるエネルギーの低い成ス時間を短くするようにした。また徐々に真空パイプ内の分(数 keV 以下)である。これは SVD の最初の層だけで止ダストが少なくなり，この現象の頻度は減っていってくれ

まってしまうものであるが，その数があまりにも多かった

た。ここで用意したモジュールは，後に示す連続入射スキー

のでほんの数日間で SVD に致命的なダメージを与えてしムの入射時の瞬間的に増えるビームバックグラウンドに耐まった。この放射光は，最初の夏にビームパイプの外側にえるのにも有用であった。

20 mm の金の薄板を入れることによって防いだ(次の年の夏

4 番目はルミノシティに比例した成分である。ルミノシ

以降はビームパイプを新作したので内側に 10 mm 厚の金をティの大小がランダムヒット的なビームバックグラウンド

入れた)。2 つ目は後方散乱といわれる成分で，ビームが衝に関係があるとは想像を絶するのですが，実際にエンド突点を通過した後に 2 つのビームを分離するための強い磁キャップの K L 中間子ミューオン検出器(KLM)のヒットレー場で発生する放射光が数メートル離れたビームパイプの壁

トはルミノシティに比例していた。他の検出器ではこれまに当たって跳ね返ってきて Belle に入ってくるエネルギーのでに書いたバックグラウンドの成分の方が大きく，この影高いもの(数十 keV)である。これは，放射光が最初に当た響はわずかなものであった(実験終了近くなってルミノシ

る場所のビープパイプの材質をアルミから銅に代えること

ティも上がり，他のバックグラウンドも減少したので，こと形状を変えてより遠くに当たるようにすること，さらにの影響が多少見える程度になった)。電子･陽電子衝突の素衝突点ビームパイプの周りでアクセプタンス以外のところ

粒子反応がどのようにバックグラウンドに影響していたかに厚めの金を張り巡らすことによって解決した。この成分は次のようだと解釈している。光子放出 Bhabha イベント

は，SVD の全層と CDC にヒットを作るものであるが，最というのは前方散乱に非常に大きな断面積を持つ。いくら

後まで完全に消し去ることはできなかった。

大きな断面積があっても，通常ならビームパイプ内を抜け次は，いくつかの理由によって周回しているビーム粒子ていくので問題とならない。ところが，放射光のバックグの一部が衝突点付近でビームパイプに当たって，シャワー

ラウンドのところで説明したとおり 2 ビーム分離のためのとなって Belle に入射してくる成分である。その影響はすべ

強い磁場があるので，光子放出でエネルギーを失った電子(まての検出器におよび，カロリメーターでは全エネルギーをたは，陽電子)は軌道をはずれ，ビームパイプに当たって電足すと 0.5 GeV/event にもなる。この成分を改善するために

磁シャワーを起こす。また光子は直進するので，やはりビー

は加速器の真空がよくなることがもっとも重要であったが，ムパイプにあたり電磁シャワーを起こす。電子シャワーだ

Belle 側からも色々なデータの解析やわざと真空を劣化させ

けならまだよいが中性子も発生する。これが，鉄をもすりるなどの実験を通して，どこの真空を特に改善してほしい

抜けて KLM にバックグラウンドヒットを残す結果となっかを要求していったりした。また，加速器内に 32 台設置さたのである。この成分を低減するためにポリエチレンの壁れている可動マスクの調整や衝突点付近に設置してある固を設置したが，最外の 2 層は最後まで使用することができ

定マスクの追加などもこの成分を減らすのに大きく寄与しなかった。幸いに Belle の場合は強い磁場が衝突点より比較ていた。

的離れていたのでこの影響がエンドキャップ KLM だけで3 番目はダストトラップという現象であった。これは Belleの受けるバックグラウンドという意味では 2 番目と同じであるが，バックグラウンドは瞬間的に増大するが，すぐに元にもどるものである。しかし，CDC がトリップしてしま

済んだが，競争相手である Babar はこのバックグラウンドが比較的大きかった。

5 連続入射スキーム

うと，また電圧を印加するのに時間ロスが大きいというもBelle の運転という意味において大きな変化があったのは，のであった。この現象は電子ビームだけをビームパイプ内

データ収集中にもビームを入射し続けるという連続入射ス

で周回させている場合にだけに起こるもので(これまでの電キームの導入であった。これは設計段階ではまったく検討

子･陽電子衝突型加速器では，1 つのパイプ内に電子と陽電

していなかった方式であるが，積分ルミノシティを蓄積す

子がともに周回していたので起こらない)，真空パイプ内にるという意味で大きな寄与をしている。

あるダストがたまたまビーム近くに落ちてきて，局所的に多くの衝突型加速器実験では検出器側は待機した状態で真空が悪くなったのと同じことが起こるものと解釈できた。

ビーム入射を行い，ビームが十分に蓄積されたら入射を止実は同じような現象は放射光リングでも起こっていて，そめてから加速し，実験のエネルギーに到達したら，検出器の場合は継続時間がもっと長く(トラップという名にふさわの高電圧などを印加してデータ収集を行う。その間はビー

しい)，その間はビーム寿命が短くなるというものであった。

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ム入射がなく，ビーム電流は徐々に低下していく。ある程

クグラウンドを気にしていたがそれは杞憂であったという度ビーム電流が低下したら，データ収集をやめ検出器の高ことである)。この大きなバックグラウンドもある時間経過

電圧などを下げてからビームを捨てて再入射するというのすれば小さくなることもわかった。
そこで，その時間だけ(最を繰り返す。せっかく蓄積されているビームを捨てるのは初は 2 msec, 後の本格的なランでは 3.5 msec )データ収集を無駄であるので，設計段階から実験エネルギーで入射でき止めればよいという単純な結論となり，2002 年 1 月に早速るようにしたのが B ファクトリーなどの高ルミノシティ実

テストランを行った。しかし，そのデータを解析したとこ

験であった。これによって，加速やビームを捨てるというろ，飛行時間計測シンチレーションカウンター(TOF)のア

無駄を省くことができ，全時間平均のルミノシティは飛躍

ンプが最初のビームバックラウンドの巨大信号にうまく対的に向上した。しかし，それでもデータ収集中にビーム入応しきれないという問題があることがわかった。結局，こ射を行わないという意味では旧来の方式と同じであった。

れを全数交換するのに 1 年半を要した。その間に電子ビー

以前は，ビーム入射中はビーム状態が不安定でビームバッ

ムの入射中のテストも行い，陽電子ビーム入射と本質的にクグラウンドが高く，検出器に高電圧を印加していたら検は同じ状態であることもわかった。そこで最終的なテスト

出器が壊れてしまうというのがある意味で一般的な常識でランでデータが健全であることを確認後，ようやく，2004

あった。筆者も加速器の人に何か言われても，「そんなこと年 1 月から本格的な連続入射実験を開始した。通常は 10 Hzができるはずがない。CDC のワイヤーが切れる」と一蹴しの入射頻度であれば，ビームの減少割合に追いつき，最大ていた。しかし，SLAC には強大な入射用線形加速器があ

ビーム電流を維持できた。この状態で連続入射による不感

り入射時間が短いので，せっかくピークルミノシティで勝っ

時間の割合は 3.5 % であり，十分小さな値であった。この連ていても積分ルミノシティでは負けてしまうという時期が

続入射スキームを成功させたことは，KEKB の弱点(入射用あった。これを克服するには連続入射しかないということ

線形加速器の強度が SLAC のものよりも弱い)を克服すると最初は，で 2001 年 12 月より恐る恐るそのテストを始めた。

同時に，ビーム電流が一定になり，より加速器が安定し，より入射時間がかかっていた陽電子入射中にどういうバッ

ピークルミノシティの向上という大きなおまけ(本来の目的

クグラウンドが来ているかをオシロスコープで生信号を観は平均ルミノシティをあげることである)もついてくること測するところから始めた。その信号は図 4 に示すようににつながった。

KEKB の 1 周回に相当する 10 msec ごとに現れるが，それ以外の時間は静かである。この観測からわかったことは，ビー

6 Belle のシフト体制

ムバックグラウンドはどうにもならないほど大きなものでBelle の運転はもちろんシフト体制で行われた。通常のデーはないということと入射したビームからこぼれ落ちる粒子

タ収集は，EXPERT といわれる人と NON-EXPERT といわによるバックグラウンドは大きいがもともと回っているビー

れる人の二人で行われていた。EXPERT は博士課程の学生

ムからのバックグラウンドは入射がない状態と同じというやポスドクなどの比較的若手の人(もちろん，年を召されたことであった(入射キッカーは周回しているビームもけって方もおられた)が中心に，データ収集の専門家から講習を受いるので軌道がずれる可能性があり，そこからのバッけた人で構成されていた。このシフトは申し出制であったので(博士課程の学生だけは，卒業までに務めないといけな
いシフト数は決まっていた)，いつもぎりぎりまでリストが埋まらないという問題をかかえていた。何度もグループ内の議論はあったが，結局，最後まで強制的なルールを作る
ことなくのりきった。NON-EXPERT はメンバー全員が務
めるシフトで地域ごとに枠が決められ，その中でそれぞれシフト要員を割り振っていた。これとは別に実験当初は各検出器にシフト要員がいて，筑波実験棟内につめている場
合が多かった。しかし，比較的早い段階で検出器そのものは安定化してきて，オンコールシフトになり，さらに SVD
以外はこのシフトそのものもなくなっていった。これも後で示す読み出しシステムが統一されていたからこそできた

図 4 ビーム入射中に TOF カウンターによって観測されたバックグラウンド信号波形。このオシロスコープ画面は，加速器から入射タイミング信号でトリガーされている。
きれいに 10 msec 毎にバッ
クグラウンドが増大していることがわかる。

ことかもしれない。
さらに，Belle には別のシフトもあった。それらは安全シ
フトと Belle Commissioning Group(BCG)シフトといわれるものである。安全シフトは，筑波実験棟の安全に関するシ

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フトで棟内の見回りも行っていた。これは技術職員も含め

図 5 にトリガー頻度を示す。実験開始当初は加速器の真て KEK の職員だけで行う正式なシフト(勤務時間として扱空状態が十分によくないということもありビームバックグう)であり，Belle の実験シフトとは独立に扱われていた。

ラウンドからの影響が大きいが，その後本当の素粒子反応(ルBCG シフトは加速器制御室に常時詰めていて，加速器とのミノシティに比例している成分)の割合が大きくなっている

連絡役を果たし，ビームバックグラウンドから Belle 検出器

ことがわかる。実験が終了するころには，何とその割合がを守る役割のものであった。実際に，可動マスクの調整も80 % にも達した。若い人にはこれは当たり前のことに感じ

その仕事の 1 つであった。連続入射スキームが採用されるられるかもしれないが，トリスタン実験を経験した筆者ら

前には加速器の人と相談して，入射のタイミングを決めるにはトリガー頻度はバックグラウンドだけで決まっていることも行っていた。このシフトは大学の研究者の協力を得というのが常識であった。
ルミノシティが上がるとトリガーていたが，ほとんどは安全シフト(つまり，KEK 職員)と兼頻度が上がることを心配しないといけないということを経ねていた。ということで，EXPERT と名はついていても実験するとは思いもよらなかった。

際には頼りないシフト要員もいて，加速器制御室にいる BCG
シフトからの助言はデータ収集の円滑な遂行に役に立っていたという実情もあった。

7 統一されたデータ収集システム
Belle のデータ収集システムは，SVD 以外の検出器はすべて同じマルチヒット TDC モジュールを使用することによって簡便化されていた。
信号の大きさは電荷時間変換チップを利用して，時間情報に直してから読み出していた。また，時間精度がいる TOF は特殊な時間拡大モジュールを使って，他の検出器と同じ 1 nsec 程度の時間分解能をもつ

TDC モジュールを使えるようにしていた。このシステムはれによって数少ないデータ収集グループの人数でも Belle

図 5 トリガーレートの変遷。横軸は Belle 固有の実験番号で，最初から最後までを表している。赤(左端で一番下のグラフ)が実際のトリガーレートで，青(左端で一番上)がルミノシティで規格化したものである。緑(左端で真ん中)は全ビーム電流を表す。最初は，バックグラウンド成分が多いが，時間とともにルミノシティに比例する成分が多くなっている様子がわかる。

全体をうまく運転し続けることが可能になった。
そうはいっ

長い実験期間中には，真剣にトリガー条件を変更しようても，データ収集システムの常であるボトルネックを探し，という議論を Belle グループ内でしたことが何度もあった。

それをつぶしていくたゆまぬ努力は必要であった。
さらに，

しかし，それを何とか切り抜けてきたのは，バックグラウ

Belle-II に向けての準備という意味も含めて，実験の後半にンドの低減とともにトリガーグループの各種ハードウェア

なってからパイプライン方式の TDC へ置き換えるという作の改良，さらに，データ収集グループによる高いトリガー業も進めた。

頻度まで耐えられるようにする改良などの結晶であった。

8 トリガー条件の維持

9 まとめ

いわゆるパイプライン方式ではないので，データ収集時に不感時間が生じる。正直に言って，われわれの建設当時の実力からすればこの方式を採用したことは成功であり，こBelle 実 験 で は KEKB 加 速 器 の ル ミ ノ シ テ ィ が
32

-2

-1

10 cm sec
34

-2

台から始まり，最終的には設計値の 2 倍の-1

Belle 実験は，強大なビームバックグラウンドと闘いながら，それを克服する多くの地道な努力を続けることにより，2´10 cm sec にまで達したが，全実験期間にわたってト

11 年間にわたって高ルミノシティ下でも均一なデータ収集

リガー条件はほとんど同じというすばらしい状態でデータを成し遂げた。

収集ができた。これにより均一のデータとなり，どの物理をやるのにもすべてのデータが同じように使えるというこ

10 謝辞とを実現した(もちろん，どの共鳴状態のデータであるかはBelle の長きにわたる運転とその収集データから得られた気にする必要がある)。トリガーは，主に CDC による荷電物理成果は，KEKB 加速器(入射器を含む)の皆様の多大な粒子トリガー(トラック 2 本以上など)と電磁カロリメーター

努力によって与えられた驚異的に高いルミノシティと低くによるエネルギートリガー( 4 GeV 以上など)の 2 本立てで，抑えられたビームバックグラウンドの環境があってこそな

ハドロンイベントに対してはリダンダンシーがあり，タウし得たものと感謝しています。また，Belle 実験への KEK

対はもちろん，2 光子過程までも網羅していた。

内外の多くの皆様のご支援に厚く感謝いたします。