贝尔实验

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贝尔实验（Belle experiment）为世界上两大B介子工厂之一，是一个国际合作的实验计划，使用日本高能加速器研究机构的KEKB加速器来进行CP对称性破坏的研究。

贝尔实验的名称Belle由来，乃是因为此实验的研究需要产生大量的B介子，而产生的来源是由电子（electron）与正电子（电子的镜像反粒子，el）对撞生成的。

参与此实验的研究团队包含来自17个国家的超过400位物理学家与技术人员。

## 历年发表的重要成果

- 2008年8月5日：发现三种新的介子。
- 2007年11月9日：再观测到新型态的介子。
- 2007年8月13日：观测到中性D介子中性粒子震荡现象。
- 2007年3月2日：B介子衰变所显现出来的量子力学效应，量子缠结现象的实证。
- 2006年7月31日：观测到伴随微中子的B介子衰变过程。
- 2005年6月30日：观测到新型态B介子衰变过程：$b \to d$转移（transition）。
- 2005年3月1日：继续发现新粒子：量子色动力学的新发展。
- 2004年8月20日：逐步阐明CP对称性破坏的现象。
- 2003年11月14日：观测到新型态的介子。
- 2003年8月20日：实验结果显示新物理的征兆。

## 贝尔实验相关的物理

贝尔实验的研究包含了多样化的物理过程。在之前所发表的期刊论文中，有着以下几个重要的研究方向：

- B介子衰变中关于CP对称性破坏之研究

关于解释CP破坏的小林-益川模型进行精密量测的检验。

直接CP不守恒最早是在K介子的衰变系统下发现的，贝尔实验于2001年观测到首次不属于K介子系统的间接CP不守恒。之后Belle实验也在B介子系统下，观测到直接CP不守恒的现象：

- $B^0 \to \pi^+ \pi^-$（2004年）
- $B^0 \to K^- \pi^+$（2004年）

贝尔实验也透过$B \to D K, D \to K_S \pi^+ \pi^-$这个衰变过程的达利兹（Dalitz）图分析，量测了卡比博-小林-益川三角的$\phi_3$角。

同时关于卡比博-小林-益川矩阵的矩阵元素大小，也是众多研究课题之一。

- $$|V_{ub}|$$
- $$|V_{cb}|$$
- B介子稀有衰变的研究

B介子衰变的过程中，间接侦测到可能的新型基本粒子的研究。贝尔实验观测到以下的几个稀有衰变过程：

- $$B \to K^* l^+ l^-$$
- $$b \to s l^+ l^-$$

贝尔实验也观测到$b \to d$跨两个夸克世代的稀有衰变。（CKM矩阵的阵列元素即衰变强度，每跨一个世代会有$\lambda$倍的抑制）

- B介子以外的D介子、以及τ轻子衰变的研究

B介子工厂大量的B介子衰变过程中，相关基本粒子衰变的详细研究。

贝尔实验观测到$B \to \tau \nu$衰变，也发现了称之为X(3872)的新型基本粒子。

- 新型态重子的产生之研究

寻找可能由四个夸克所构成的新粒子，以及由五个夸克形成的五夸克粒子。

- 双光子产生过程的研究

光子结构函数的研究。

## KEKB加速器

凯克毕加速器（KEKB，ケックビー，即位于KEK的B介子工厂）的前身为1986年完成的崔斯特对撞型加速器（TRISTAN，トリスタン，全名为Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon，即日本可转移对撞型储存环加速器）。此乃日本文部省高能物理学研究所耗资870亿日圆，费时五年所开发的环形对撞加速器，主要目标之一在于寻找顶夸克。但顶夸克的质量远大于原先理论学家的预期，超过此加速器的原始设计，最后被美国费米实验室的加速器发现。KEKB沿用了原先崔斯特加速器的地下隧道，耗资380亿日圆进行偏转聚焦磁铁、束流管与超导高频加速空腔（Cavity）的升级改装工作，并于1998年完成开始运转。KEKB是一个以8.0 GeV能量的电子束与3.5 GeV的正子束对撞的非对称型加速器，由磁铁与加速空腔包覆的两个周长3公里的储存环组成。在其非对称式对撞能量的设计下，所产生的B介子对具有0.425罗伦兹推升（boost），使得B介子衰变时间相关的实验量测成为可能。在最近的一次升级计划中，KEKB加入了蟹形加速空腔，希望能进一步提升亮度但未如预期，因此仍在校调当中。KEKB仍是目前（2009年6月）世界上，亮度最高的加速器，最新的世界纪录为$2.11 \times 10^{34}\text{cm}^{-2} \text{s}^{-1}$，积分亮度超过950 fb-1。Belle实验在KEKB加速器，纪录了相当于超过六百多万个在对撞点产生的B介子对。

Belle实验大多数的数据，是在KEKB加速器于Υ介子的4S共振态下所撷取的，Υ介子的此共振态几乎会完全衰变为一对B介子。为了背景事例分析，与特殊实验目的的需要，KEKB也可以在偏离Υ(4S)共振态下运作。其中于Υ(3S)共振态提供了暗物质与希格斯玻色子相关的研究，而Υ(5S)共振态的数据则可以进行Strange BStrange antiB介子对的衰变分析。

## 贝尔侦测器

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贝尔侦测器位于KEKB加速器圆环束流管上的一个对撞点，其所在的实验大楼称作是筑波实验室，为一上两层楼、地下四层楼的建筑。该侦测器的大小约为8m x 8m x 8m（即约三层楼高的立方体），重量约为1,500公吨，纪录电子与正子对撞后，各式各样的物理反应过程。

贝尔侦测器是一个通用型的侦测器，包含了以下数个子侦测器：（依序由中心到最外层）

- 前置量能器（Extreme Forward Calorimeter）
- 硅顶点侦测器（Silicon Vertex Detector）
- 中央漂移室（Central Drift Chamber）
- 契忍可夫计数器（Aerogel Cherenkov Counter）
- 飞时计数器（Time of Flight）
- 碘化铯（CsI）电磁量能器（Electromagnetic CaLorimeter）
- K介子与缈子侦测器（K Long and Muon Detector）

经由这些子侦测器，在对撞点所产生的粒子衰变资讯，将巨细靡遗地被纪录下来。其中，由SVD与CDC可以得知带电粒子的轨迹进而推算出其动量，而量能器则可以量测电子与光子的能量，最外层的KLM可以作为缈子鉴别器。贝尔侦测器有一项特别的侦测器，是使用了契忍可夫辐射（Cerenkov Radiation）的原理，以气凝胶构成的侦测器，可以通过Pi介子与K介子发光的有无，判定以数十亿电子伏特高速通过的粒子种类。而其他B介子工厂所没有的前置量能器，则提供了即时的加速器亮度资讯。

## 贝尔实验识别标志

贝尔实验团队的识别标志，是由一个黄色的字母B在蓝色的背景上所构成的。此乃因为贝尔实验的研究对象是B介子的衰变。而这个字母B实际上是由一个字母e与另一个镜像的e组成的，这是代表了KEKB加速器是以电子与正子（电子的反粒子）对撞，来产生B介子的。而下方的BELLE是Belle实验的英文名称，但是其实正确的写法应该是Belle而不是全部大写字母的BELLE。另一个可以注意的是，这个字母B所构成的两个字母e的大小不同，是代表了KEKB加速器的非对称式能量设计。但是，实际上KEKB加速器内对撞的电子能量较高（8 GeV），而正子能量较低（3.5 GeV），刚好与组成字母B的两个正反字母e大小相反。

## B-Lab

B-Lab（ビー・ラボ）是一个让一般高中生参与，了解物理学家如何发现新粒子为目的的科学营活动。参加B-Lab活动的高中生，由高能加速器研究机构的研究人员指导，使用一小部分Belle实验的真实数据，来进行数据分析的工作。如果真的因此发现了新粒子，参加活动的学生，将可以留名在Belle实验的侦测器上。（不过目前还没有同学有发现未知粒子）为了让参加的高中生能够更快地进入状况，数据分析的工具不同于一般的研究人员使用Linux操作系统下的ROOT或PAW，而是使用Windows版的ROOT程式来进行。

## Belle Plus

以高中生为对象，不定期举办的基本粒子科学营。目的是让一般的高中生可以体验，在Belle实验进行研究工作的科学家之研究生活。科学营的活动内容包含了有分析软件撰写的课程，以及硬件设计制作有关的活动。

## 诺贝尔物理学奖

2008年十月七日瑞典皇家科学院公布了2008年诺贝尔物理学奖的得主，其中之一即为前KEK基本粒子原子核研究所长（IPNS, Institute of Particle and Nuclear Studies）小林诚。同时，皇家科学院也强调了贝尔实验在于其有关CP破坏的理论验证上，扮演重要且关键的角色。也因此，KEKB加速器与贝尔侦测器于2010年至2013年的升级计划，得以获得KEK机构内部的支持，而正式提交给日本政府审核。

## 未来升级计划

贝尔实验团队，目前正提出Belle II的升级企划案于日本政府审核中。该计划将以100倍于目前的加速器亮度，产生更多的B介子，做更精确的物理测量。