The Belle Silicon Vertex Detector
and CP Violation
石野 宏和（東京工業大学）
for the Belle Collaboration
２００４年３月８日
科研費特定領域 第２回研究会
＠つくば国際会議場エポカル• イントロダクション• SVD2とその性能• 最新のCPの破れの測定結果と展望

Belle実験とKEKB加速器

１周約３ｋｍ

KEKBは８GeVの電子と３．５GeVの陽電子の衝突型加速器。
最高ピークルミノシティは120.0×1032/cm2/s （3月１日）

世界最高

KEKB加速器の性能

continuous injection
絶えず1034/cm2/s以上のルミノシティを維持~800pb-1/day
１日に約９０万個のΥ(4S)を生成。

積分ルミノシティ 約200fb-1(2003年秋からは約50fb-1)

KEKBは世界最高輝度を持つ加速器

Belle検出器

CsI ElectromagneticCalorimeter

Time Of Flight Aerogel CherenkovCounter
Counter
3.5GeV positron
beam

Super Conductive
Solenoid coil
8GeV electronbeam
KL muondetector

Central Drift
Chamber
Silicon Vertex Detector (SVD)Belle Collaboration

274
274 authors,authors, 45
45 institutions
institutions
many
many nationsnations

物理的動機8GeV electron

3.5GeV positronΥ(4s)CP eigenstate
B0 or B0(flavor tagside)∆z ~ 200µm• B中間子系での時間に依存するCPの破れを測定し、CKM行列の角度を測定する。
– 数億個の大量のB中間子と100µm以下の精度でのB中間子の崩壊点の測定が必要。
– 実験を遂行するためには世界最高強度を持
つKEKB加速器とSVDが必要である。

Silicon Vertex Detector (SVD)とは2.84cm

28.475µm

300µm

79.650µm

読み出しチップ

7.96cm

Double sided Silicon Strip Detector(DSSD) をラダー構造に配置し荷電粒子の通過位置を約10µmの精度で測定。

SVD
ラダーを３次元的に配置し、荷電粒子のトラックパラメータを測定。
バーテックスフィットによりB中間子の崩壊点を測定。
6+12+18+18= 54 ladders

SVDのアップグレード••

１９９９年にSVD version1 (SVD1)をインストール。
– ２００３年夏まで順調に作動。
– ４年間の間に約1Mradの放射線照射を受け、放射線耐性の限界に達しようとしていた。
２００３年夏にSVD version2 (SVD2)をインストール。
– 20Mrad以上の耐性を持つ。
• 読み出しチップであるVA1TA チップが0.35µmプロセスでつくられた。
– ラダーが３層から４層に増加、最内層の半径が３ｃｍから２ｃｍへ減少、立体角が約１０％向上。
• より高い荷電粒子検出効率とより精度良い崩壊点決定精度– fast shaper (75 or 300ns)とdiscriminator （TA）をVA1TAチップに実装• 世界初のSVDを使用したトリガーの試み。
– データ読み出し系の改良。
• DSPの代わりにPCをつかうことによって、約３倍以上のデータ処理速度を達成。

SVD2ラダーの構造と組み立て
supportribs

浜松フォトニクス社とメルボルン大学（オーストラリア）で組み立て。

bridgeshybrids

DSSDs
Flex circuit

512ストリップ読み出し

VA1TA チップ

VA1TAチップ
L0 trigger

Event
VA1TA: AMS 0.35µm process,radiation hardness up to 20Mrad•VA1•shaping time 0.3~1.0µs

HoldHoldSignalShaper•128 channel serial read-out with
5MHz clock

0.3~1.0µsTA•TA•faster shaper (75ns or 300ns) +shift indiscriminator(L1 trigger)

5MHz•128 wired-or out put•Bias voltage and currents aregenerated by internal DAC (in total680bits)

serialanalog out

With L1 trigger, FADC
start AD conversion

SVD２のインストール

news
KEK工作センターの大久保隆治さん、小池重明さん、KEK工作センターの大久保隆治さん、小池重明さん、佐藤伸彦さん、鈴木純一さんがSVDの構造設計と製作についSVDの構造設計と製作について評価されて、第４回KEK技術賞を受賞なさいました。
KEK技術賞を受賞なさいました。

ハドロンイベント
SVD2

Central Drift
Chamber (CDC)news

VA1TAチップのアンプゲインの経時変化
SVD2

SVD1

SVD1.4

SVD1.6

4年間で約１Mradの照射を受けた。

約４ヶ月で１層目は約40kradの照射 (積分ルミノシティは約50fb-1)。

第１層目のゲインは３０％減少。

ゲインの減少はみられていない。

アライメントとDSSD上の位置分解能
Data

アライメント後アライメント前
r-φr.m.s = 65µm

r-φ

σ = 12µm50µm
pitch
DSSD ヒット

zr.m.s = 70µmz

σ = 19µm

75µm
pitch
宇宙線μ-200µm+200µm-200µm-200µmImpact Parameter Resolution

14012021.9⊕-35.5/p µm

SVD2 Cosmic∼

SVD1 Cosmic∼14042.2⊕-44.3/p µm

12027.8⊕-31.9/p µm

SVD2 Cosmic∼100

1008080606040402020002468
pseudo momentum (GeV/c)

0recons∼

trueresolution (µm)

resolution (µm)

SVD1 Cosmic

19.2⊕-54.0/p µmDatad160160dz

tructedrho

02468pseudo momentum (GeV/c)

r-φz

SVD1

19.2 ⊕ 54.0/p [µm]42.2 ⊕ 44.3/p [µm]SVD221.9 ⊕ 35.5/p [µm]27.8 ⊕ 31.9/p [µm]低運動量域で約２０％以上改善

μトラック

∆z 分解能 （MC)B→J/ψ KS MC

SVD1

SVD2

CP side55.6µm

48.0µmTag side126.5µm114.7µm∆z137.9µm

125.1µm

J/ψKSの場合、∆z分解能は約１０％改善。
位置決定効率 は約７％増加。

ΤΑの性能宇宙線ミューオン事象。
〜12000electrons
malfunctionof cal. pulse
input

10000
緑と黒い点はSVDのヒット位置。四角はTAによるヒット（TAヒットは１２８ストリップのORになっている）。

30000

electrons

TA discriminator の閾値分布TAヒット情報を使ったトリガーロジックを開発中。

Max. processing speed (Hz)

データ収集システムの性能
PC１２台（2.4GHz Xeon
dual CPU)を使用。
PC上でsparsification(ヒットしたストリップデータのみを拾う）を行う。
処理速度は５％オキュパンシーで約１．３ｋHz。デットタイムは５％以下。
occupancy
オキュパンシー：検出器のストリップのヒット数の割合。
ヒットしたストリップ：S/Nが４以上のストリップ。

実際のビーム状況では３％オキュパンシーで約３００〜４００Hzのトリガー頻度。

CPの破れB0 → fCP
B0 →+fCP +B0 → B0 →B0 → B0 →00f
Γ(B(∆t)→f)−Γ(B(∆t ) → f CP f) CPCPCP== S sin( ∆m ∆t ) + A cos(∆m ∆t )≠ACP

Γ( B (∆t ) → f CP ) + Γ( B (∆t ) → f CP )00

S はB0とB0の混合に起因するCPの破れ
A はB0とB0の間の直接的CPの破れ

d∆t =

∆zcβγ

dβγ = 0.425

標準模型では、CPの破れはCKM行列によって説明される。
φ223*⎛ 1− λ / 2λAλ (ρ − iη) ⎞ Vud VubVtd Vtb*
⎟Wolfenstein ⎜22Aλ−λ1− λ / 2⎟⎜
φ3φ1表示⎟⎜ Aλ3 (1− ρ − iη) − Aλ2*1VVcdcb⎠⎝SVD1を用いたCPの破れの測定結果（１）b→ccs

140fb-1 のデータ
（2003年夏まで)

S = −ξ f CP sin 2φ1

ξ f : CP固有値
CP

sin2φ1 =0.733±0.057(stat.)±0.028(syst.) | λ |2 −1
A=| λ |2 +1|λ|=1.007±0.041(stat.)
直接的CPの破れが無いことと矛盾していない。

preliminary

sin2φ1は８％程度の精度で測定。
→SVD2の性能評価、他のモード(b→sss)との比較の良い基準。

SVD1を用いたCPの破れの測定結果（２）bb→→ssssqq
Wφbst

B0g

d10.5

Raw Asymmetry

0140fb-1 SMではループダイアグラムのみ寄与。
→新物理の兆候を検知しやすい。
s00b) B → φK ssdKs

B→φKSS(=sin2φ1)=−0.96±0.50+0.09−0.11b→ccsで測定されたsin2φ1と3.5σ離れている。
→新物理の兆候？さらなる統計が必要

A=−0.15±0.29±0.
-10.0 < r ≤ 0.507 + −1 c)
B→Κ Κ KS+0.18
0.5
S=+0.51±0.26±0.05−0.000Α=−0.17±0.16±0.04-0.5
B→η'KS-10.5 < r ≤ 1.0
S=+0.43±0.27±0.05-7.5-5-2.5
02.557.5∆t (ps)Α=−0.01±0.16±0.04
preliminary-0.5SVD1を用いたCPの破れの測定結果（３）B→π+π−140fb-1 (1529events, including B.G.)
Aππ =+0.58±0.15±0.07
Sππ =−1.00±0.21±0.07

0.86 < LR ≤ 1.0

CP の破れ：有意差5.2σ
直接的CPの破れ：
有意差3.2σpreliminarySVD2での物理の展望• ２００３年秋から２００４年夏までにSVD2で、約150fb-1のデータが貯まると予想される。
– 位置分解能、位置決定効率がそれぞれ約１０％程度あがる。
– SVD2で１年で貯めたデータはSVD1で４年間貯めたデータと同程度となる。
– 両方のデータの和をとると、統計エラーが~1/√２に減る。
• ただし、バックグランドに大きく依存するが。。。
– b→ccsでのsin2φ1のエラーは５，６％になる。
– B→φKSでのSのエラーは３０％程度に減少• 中心値が変わらないとすると、Sの差は約5σに上昇。
– B→π+π−のCPの破れはSVD1で発見された。
• 今後は直接的CPの破れを測定することが重要。
• 中心値があまり変わらないとすると4σ程度の有意差で検出。

まとめ• KEKB加速器は世界最高のルミノシティー強度でBelle実
験に億単位の大量のB中間子を供給している。
• ２００３年夏にSVDがアップグレードされた。
– 放射線耐性、位置決定の精度と効率、データ処理能力の向上。
– トリガー機能の導入。

• SVD2は２００３年秋から順調にデータを貯めつつある。
– ２００４年夏のKEKBシャットダウンまでには150fb-1データが貯まると見込まれている。

• SVD1は４年間順調に作動し、140fb-1のデータから数々の重要な物理結果を我々に与えてくれた。
– b→ccsモードを用いたsin2φ1の精密測定。
– B→φKSモードでのSの測定。
– B→π+π−モードでのCPの破れの発見。

• ２００４年夏までのSVD2のデータに乞う、ご期待。

backup slides

DSSD

L1~L3P(z)size(mm)N(φ)

79.2x28.4

L4P(z)

N(φ)

76.4x34.9

Strip
pitch

75µm

50µm

73µm 65µm# of strip

1024

5121024

Stripwidth

50µm

10µm

55µm 12µm

SVD2のDSSDの仕様

SVD１のDSSDの仕様
strip
pitch

read-outpitch# ofchannels

r-φ

25µm

50µm

640

z42µm

84µm

640512

SVD1
Beam pipe radius: 20.0mm
Layer Radius Length Ladders DSSDs(mm) (mm) per layer per ladder Total coverage :23°<
130.0 112.582θ < 139°in polar angle.
245.5 168.5103360.5 224.5
144
Total # of channels: 81920

SVD２
Layer Radius Length Ladders DSSDs(mm) (mm) per layer per ladder120.0 156.5
62(1+1)243.5 236.2
123(1+2)
370.0 395.6
185(2+3)488.0 457.8
186(3+3)

Beam pipe radius: 15.0mm

Total coverage :17°< θ < 150°in polarangle(matching with CDC)

# of read-out channels:
110592

0.86 < LR ≤ 1.0

LR
π+π- : 231.4
Kπ : 83.3
qq : 168.3
total : 483rLR ≤ 0.861529 candidates (801 B0- and 728 B0-tags)
containing (372 ± 32) π+π− signal events

History of Aππ and Sππ
BelleThis result
Belle 140fb−1

BaBar

Feldman-Cousins Analysis

1) Observation of CP violation(5.2σ)
2) Evidence for direct CP violation≥3.2σ

Aππfor Aππ=0 and any Sππ

3.3σ
Sππfor “superweak” case2911(CP−) +174 events

140 fb-1 , 152 x 106 BB pairs2332(CP+) events

PB* distribution(81% CP=+1)

5417 events used in Fit

0Entries / 0.0025 GeV/c230200a) B → φK s106evNsig(φKS)=68(64%)

100100500150
1000+ − 0b) B → K K K s

Nsig(K+K−KS)= 199(55%)
CP=even 103 ± 16%0361ev0c) B → η’K s

Nsig(η’KS)=244(58%)

421ev

500
5.2

5.22

5.24

5.26

2Mbc (GeV/c )

5.28

5.3

π +π −

B0→φ KS
K +K −π +π −
B0→K+K−KS(K+K−≠ φ)
π +π −

B0→η’KSπ+π−η,ργγγ