Belle實驗

**貝爾實驗**（Belle experiment）為世界上兩大 B 介子工廠之一，是一個國際合作的實驗計畫，使用日本高能加速器研究機構的 KEKB 加速器來進行 CP 對稱性破壞的研究。
貝爾實驗的名稱 **Belle** 由來，乃是因為此實驗的研究需要產生大量的 **B** 介子，而產生的來源是由電子（**el**ectron）與正電子（電子的鏡像反粒子，**el**）對撞生成的。

參與此實驗的研究團隊包含來自 17 個國家的超過 400 位物理學家與技術人員。

 

## 歷年發表的重要成果

* 2008 年 8 月 5 日：發現三種新的介子。
* 2007 年 11 月 9 日：再觀測到新型態的介子。
* 2007 年 8 月 13 日：觀測到中性 D 介子混合震盪現象。
* 2007 年 3 月 2 日：**B 介子**衰變所顯現出來的量子力學效應，量子纏結現象的實證。
* 2006 年 7 月 31 日：觀測到伴隨微中子的 B 介子衰變過程。
* 2005 年 6 月 30 日：觀測到新型態 B 介子衰變過程： $b\to d$ 轉移（transition）。
* 2005 年 3 月 1 日：繼續發現新粒子：量子色動力學的新發展。
* 2004 年 8 月 20 日：逐步闡明 CP 對稱性破壞的現象。
* 2003 年 11 月 14 日：觀測到新型態的介子。
* 2003 年 8 月 20 日：實驗結果顯示新物理的徵兆。

## 貝爾實驗相關的物理

貝爾實驗的研究包含了多樣化的物理過程。在之前所發表的期刊論文中，有著以下幾個重要的研究方向：

* **B 介子衰變中關於 CP 對稱性破壞之研究**

　
: 關於解釋 CP 破壞的小林 - 益川模型進行精密量測的檢驗。

　
: 直接 CP 不守恆最早是在 K 介子的衰變系統下發現的，貝爾實驗於 2001 年觀測到首次不屬於 K 介子系統的間接 CP 不守恆。之後 Belle 實驗也在 B 介子系統下，觀測到直接 CP 不守恆的現象：
 * $B^{0}\to \pi ^{+}\pi ^{-}$ （2004 年）
* $B^{0}\to K^{-}\pi ^{+}$ （2004 年）

　
: 貝爾實驗也透過 $B\to DK,D\to K_{S}\pi ^{+}\pi ^{-}$ 這個衰變過程的達利茲（Dalitz）圖分析，量測了卡比博 - 小林 - 益川三角的 $\phi _{3}$ 角。

　
: 同時關於卡比博 - 小林 - 益川矩陣的矩陣元素大小，也是眾多研究課題之一。
 * $|V_{ub}|$
* $|V_{cb}|$

* **B 介子稀有衰變的研究**

　
: B 介子衰變的過程中，間接偵測到可能的新型基本粒子的研究。貝爾實驗觀測到以下的幾個稀有衰變過程：
 * $B\to K^{*}l^{+}l^{-}$
* $b\to sl^{+}l^{-}$

　
: 貝爾實驗也觀測到 $b\to d$ 跨兩個夸克世代的稀有衰變。（CKM 矩陣的陣列元素即衰變強度，每跨一個世代會有 $\lambda $ 倍的抑制）

* **B 介子以外的 D 介子、以及 τ 輕子衰變的研究**

　
: B 介子工廠大量的 B 介子衰變過程中，相關基本粒子衰變的詳細研究。

　
: 貝爾實驗觀測到 $B\to \tau \nu $ 衰變，也發現了稱之為 X (3872) 的新型基本粒子。

* **新型態重子的產生之研究**

　
: 尋找可能由四個夸克所構成的新粒子，以及由五個夸克形成的五夸克粒子。

* **雙光子產生過程的研究**

　
: 光子結構函數的研究。

## KEKB 加速器

**凱克畢加速器**（英語：KEKB，日語：ケックビー，即位於 **KEK** 的 **B** 介子工廠）的前身為 1986 年完成的**崔斯特對撞型加速器**（英語：TRISTAN，日語：トリスタン，全名為 **T**ransposable **R**ing **I**ntersecting **S**torage **A**ccelerator in **N**ippon，即日本可轉移對撞型儲存環加速器）。此乃日本文部省高能物理學研究所耗資 870 億日圓，費時五年所開發的環形對撞加速器，主要目標之一在於尋找頂夸克。但頂夸克的質量遠大於原先理論學家的預期，超過此加速器的原始設計，最後被美國費米實驗室的加速器發現。KEKB 沿用了原先崔斯特加速器的地下隧道，耗資 380 億日圓進行偏轉聚焦磁鐵、束流管與超導高頻加速空腔（Cavity）的升級改裝工作，並於 1998 年完成開始運轉。KEKB 是一個以 8.0 GeV 能量的電子束與 3.5 GeV 的正子束對撞的非對稱型加速器，由磁鐵與加速空腔包覆的兩個週長 3 公里的儲存環組成。在其非對稱式對撞能量的設計下，所產生的 B 介子對具有 0.425 羅倫茲推升（boost），使得 B 介子衰變時間相關的實驗量測成為可能。在最近的一次升級計畫中，KEKB 加入了蟹形加速空腔，希望能進一步提昇亮度但未如預期，因此仍在校調當中。KEKB 仍是目前（2009 年 6 月）世界上，亮度最高的加速器，最新的世界紀錄為 $2.11\times 10^{34}{\text{cm}}^{-2}{\text{s}}^{-1}$ ，積分亮度超過 950 fb-1。Belle 實驗在 KEKB 加速器，紀錄了相當於超過六百多萬個在對撞點產生的 B 介子對。

Belle 實驗大多數的數據，是在 KEKB 加速器於 Υ 介子的 4S 共振態下所擷取的，Υ 介子的此共振態幾乎會完全衰變為一對 B 介子。為了背景事例分析，與特殊實驗目的的需要，KEKB 也可以在偏離 Υ(4S) 共振態下運作。其中於 Υ(3S) 共振態提供了暗物質與希格斯玻色子相關的研究，而 Υ(5S) 共振態的數據則可以進行 
B 
s 
B 
s 介子對的衰變分析。

## 貝爾偵測器

貝爾偵測器位於 KEKB 加速器圓環束流管上的一個對撞點，其所在的實驗大樓稱作是**筑波實驗室**，為一上兩層樓、地下四層樓的建築。該偵測器的大小約為 8m x 8m x 8m（即約三層樓高的立方體），重量約為 1,500 公噸，紀錄電子與正子對撞後，各式各樣的物理反應過程。

貝爾偵測器是一個通用型的偵測器，包含了以下數個子偵測器：（依序由中心到最外層）

* 前置量能器（**E**xtreme **F**orward **C**alorimeter）
* 矽頂點偵測器（**S**ilicon **V**ertex **D**etector）
* 中央漂移室（**C**entral **D**rift **C**hamber）
* 契忍可夫計數器（**A**erogel **C**herenkov **C**ounter）
* 飛時計數器（**T**ime **o**f **F**light）
* 碘化銫（CsI）電磁量能器（**E**lectromagnetic **C**a**L**orimeter）
* K 介子與緲子偵測器（**K** **L**ong and **M**uon Detector）

經由這些子偵測器，在對撞點所產生的粒子衰變資訊，將巨細靡遺地被紀錄下來。其中，由 SVD 與 CDC 可以得知帶電粒子的軌跡進而推算出其動量，而量能器則可以量測電子與光子的能量，最外層的 KLM 可以作為緲子鑑別器。貝爾偵測器有一項特別的偵測器，是使用了契忍可夫輻射（Cerenkov Radiation）的原理，以氣凝膠構成的偵測器，可以通過 Pi 介子與 K 介子發光的有無，判定以數十億電子伏特高速通過的粒子種類。而其他 B 介子工廠所沒有的前置量能器，則提供了即時的加速器亮度資訊。

## 貝爾實驗識別標誌

貝爾實驗團隊的識別標誌，是由一個黃色的字母 B 在藍色的背景上所構成的。此乃因為貝爾實驗的研究對象是 B 介子的衰變。而這個字母 B 實際上是由一個字母 e 與另一個鏡像的 e 組成的，這是代表了 KEKB 加速器是以電子與正子（電子的反粒子）對撞，來產生 B 介子的。而下方的 BELLE 是 Belle 實驗的英文名稱，但是其實正確的寫法應該是 Belle 而不是全部大寫字母的 BELLE。另一個可以注意的是，這個字母 B 所構成的兩個字母 e 的大小不同，是代表了 KEKB 加速器的非對稱式能量設計。但是，實際上 KEKB 加速器內對撞的電子能量較高（8 GeV），而正子能量較低（3.5 GeV），剛好與組成字母 B 的兩個正反字母 e 大小相反。

## B-Lab

B-Lab（ビー・ラボ）是一個讓一般高中生參與，了解物理學家如何發現新粒子為目的的科學營活動。參加 B-Lab 活動的高中生，由高能加速器研究機構的研究人員指導，使用一小部份 Belle 實驗的真實數據，來進行數據分析的工作。如果真的因此發現了新粒子，參加活動的學生，將可以留名在 Belle 實驗的偵測器上。（不過目前還沒有同學有發現未知粒子）為了讓參加的高中生能夠更快地進入狀況，數據分析的工具不同於一般的研究人員使用 Linux 作業系統下的 ROOT 或 PAW，而是使用 Windows 版的 ROOT 程式來進行。

## Belle Plus

以高中生為對象，不定期舉辦的基本粒子科學營。目的是讓一般的高中生可以體驗，在 Belle 實驗進行研究工作的科學家之研究生活。科學營的活動內容包含了有分析軟體撰寫的課程，以及硬體設計製作有關的活動。

## 諾貝爾物理學獎

2008 年十月七日瑞典皇家科學院公佈了 2008 年諾貝爾物理學獎的得主，其中之一即為前 KEK 基本粒子原子核研究所長（IPNS, **I**nstitute of **P**article and **N**uclear **S**tudies）小林誠。同時，皇家科學院也強調了**貝爾實驗**在於其有關 CP 破壞的理論驗證上，扮演重要且關鍵的角色。也因此，KEKB 加速器與貝爾偵測器於 2010 年至 2013 年的升級計劃，得以獲得 KEK 機構內部的支持，而正式提交給日本政府審核。

## 未來升級計畫

貝爾實驗團隊，目前正提出 Belle II 的升級企劃案於日本政府審核中。該計畫將以 100 倍於目前的加速器亮度，產生更多的 B 介子，做更精確的物理測量。

## 參見

* 高能加速器研究機構
* B 介子工廠
* SuperB

## 參考資料

## 外部連結

* 高能加速器研究機構諾貝爾獎特集（英文 / 日文）
* Belle 實驗（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文 / 日文）
* B Lab（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（日文）
* Belle Plus（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（日文）