1 Super B 岡田安弘 (KEK/ 総合研究大学院大学 ) 2012 年 8 月 27 日 -29 日京都大学 将来計画検討小委員会 ICEPP 東大 2009 年 11 月 7 日とそのアップダート
2 これからの B ファクトリーが目指すもの TeV 領域の新しい素粒子像の解明に フレーバー物理の側面から寄与すること
3 TeV TeV の物理 = 電弱対称性の破れの背後にある物理を解明する 40 年に一度くらいの大きなステップ 電弱対称性の破れの物理の解明 強い相互作用と弱い力相互作用の導入 ゲージ模型の提唱 ~1930 ~1970 ~2010
4 LHC TeV 複合ヒッグス模型 超対称性 余次元模型 間接探索 LHC TeV 物理に関しては いろいろな理論的な可能性が提案されている LHC ではどの方向が正しいか決まるかもしれない TeV 物理の全貌を解明し それが素粒子や宇宙の基本的な問題とどのように係わるのかを明らかにするのは 21 世紀前半の課題
5 CKM K 中間子 FCNC の抑制 K 中間子 CP violation c の発見 b, τ の発見 B-B 混合 電弱精密測定 t の発見 B 中間子 CP violation 直接探索による新粒子発見と間接探索による新現象発見の interplay により理論の全貌があきらかになる
KEKB/Belle SuperKEKB/Belle II q p Success of B-Factories: world Highest Luminosity confirmation of Kobayashi-Maskawa mechanism: CP violation due to a complex phase in CKM matrix Unitarity Triangle for B system 2001: Discovery of CPV in B mesons 2008: Nobel Prize for Kobayashi and Maskawa 2011: Most precise sin2φ 1 from b ccs processes φ 3 (γ) φ 2 (α) φ 1 (β) PRL108, 171802 ~sin2φ 1 B 0 J/ψK 0 s 711/fb full data sample 0 Β ( cc) K sin2φ 1 = 0.67 ± 0.02 ± 0.01 q q 10 years of precise measurements of UT Hints of New Physics in flavor sector
The last beam abort of KEKB on June 30, 2010 First physics run on June 2, 1999 Last physics run on June 30, 2010 Lpeak = 2.1x1034/cm2/s L > 1ab- 1 7
SuperKEKB and Belle II Belle II e+ 4GeV 3.6 A New IR e- 7GeV 2.6 A New beam pipe & bellows Colliding bunches New superconducvng / permanent final focusing quads near the IP SuperKEKB Replace short dipoles with longer ones (LER) Add / modify RF systems for higher beam current Low emitance positrons to inject Redesign the laoces of HER & LER to squeeze the emitance TiN- coated beam pipe with antechambers 5/29/2011 Positron source Damping ring New positron target / capture secvon Low emittance gun Low emitance electrons to inject Target: L = 8x1035/cm2/s 8
Belle II Detector EM Calorimeter: CsI(Tl), waveform sampling (+Pure CsI for end- caps) electron (7GeV) KL and muon detector: ResisVve Plate Counter (barrel) ScinVllator + WLSF + MPPC (end- caps) ParVcle IdenVficaVon Time- of- PropagaVon counter (barrel) Prox. focusing Aerogel RICH (fwd) Beryllium beam pipe 2cm diameter Vertex Detector 2 layers DEPFET + 4 layers DSSD Central Drii Chamber He(50%):C2H6(50%), Small cells, long lever arm, fast electronics positron (4GeV) 5/29/2011 9
SuperKEKB luminosity prospect Integrated luminosity (ab -1 ) Peak luminosity (cm -2 s -1 ) Goal of Belle II/SuperKEKB We will reach 50 ab -1 in 2022 Commissioning starts in 2015. Shutdown for upgrade Year 9 months/year 20 days/month
The Belle II collaboravon 20 countries, 67 insvtutes, 400 collaborators (as of Jul. 2012) 11
12 Super B Factory の物理の意義の検討いろいろなところで行われてきた Super KEKB LoI (hep-ex/0406071) SLAC Super B workshop (hep-ph/0503261) Super B CDR (arxiv:0709.0451) CERN workshop Flavour in the era of the LHC B,D, タウ崩壊の物理で標準模型の予言からのずれをどの程度測定することが出来るか 様々な新しい物理の模型は標準模型の予言からどのようなパターンずれが期待できるか
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14 B 様々な物理量により新しい相互作用の性質を探ることができる 新しい CP 位相 S(B->φKs)-S(B->J/ψKs) A(B->πK) S(b->sγ) DD mixing Chiral structure S(B-> Ksγ) A FB (B->K*ll) レプトンフレーバーの破れ τ->µγ, τ->eγ, τ->µµµ, τ->µµe, τ->µee, τ->eee, τ->µη, τ->µπ, τ->µk. 新しい Weak Interaction B-> τν B->Dτν
15 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa 行列のスキームうまくいっている
16 New Physics Search については不十分 CKM fit はうまくいっているように見えるが まだ数 10% の New physics の寄与はあり得る Model-independent にループ効果を決めるには tree-level の parameter determination の精度を飛躍的にあげる必要がある Fit by tree level processes Vub, φ 3 /γ + + + Bd mixing and CP asymmetries Bs mixing and CP asymmetries ε K and B(K->πνν) こうして初めて どこにどれだけ New physics の効果があるかわかる
17 フレーバーチェンジングニュートラルカレントを表す三角形のファインマン図のことをペンギンダイアグラムという b->sγ 過程は最も重要な B 稀崩壊過程 1993 年に CLEO 実験で発見された 分岐比は 3.5x10-4 程度で実験の誤差と標準模型の理論計算の精度はともに 10% 程度に達している 両者の一致は良い 標準模型を超える物理に対して有用な制約を与えている
18 b->sγ 標準模型では b-sγ の振幅はほとんど位相を持たない Photon の polarization はほとんど left-handed. 新しい物理の効果は必ずしもそうとは限らない ~ CP 非対称性 b->sγ の direct CP violation および B->K*γ などの time-dependent CP violation はそれぞれ新しい位相やカイラリティー違った相互作用の存在に敏感 Acp <1% in SM (C 7 は C7 とは逆のカイラリティーのオペレータ ) Acp~O(ms/mb) in SM
19 b->sll b->sll やB->K*ll はpenguinだけでなくbox diagramからの寄与がある 新しい物理に対してより多くの情報が得られる Lepton invariant mass 分布 Forward-backward asymmetry b l - θ s l + T.Goto, Y.O.,Y.Shimizu, M.Tanaka,1997
20 一般に b->sg などによるハドロンへの崩壊では 理論的不定性が大きいので新しい物理の効果を抜き出すのは大変 B->J/ψKs と B->φKs の time-dependent CP violation の差は標準模型では良い精度で一致するはず 新しい物理を探る良い方法 B->J/ψKs B->φKs New phase (ex SUSY) tree penguin
21 Lepton Flavor Violation µ->eγ や τ->µγ はクォークの b->sγ に対応する過程 ニュートリノ振動の確立後はこれらの LFV 過程は起こるはずと思われている どのぐらいの大きさの分岐比になるかは ニュートリノ質量生成の物理の詳細による 単純な Dirac 質量や Seesaw 模型ではほとんど無視できるぐらいの分岐比 超対称模型では実験の上限値の近くまで大きくなりうる ニュートリノ質量生成 µ LFV τlfv SUSY seesaw model LR symmetric model Triplet-Higgs model Extra-dimension model
22 Process Current Future 2.4x10-12 tau LFV (Ti) 10-17 (COMET, Mu2e) ミュー粒子とタウ粒子の LFV の関係は新しい物理の模型による MEG で LFV が発見されたらタウ崩壊で LFV を探すことは緊急性が高い
23 Super B, experimental prospects 50-75 ab -1 CKM parameters b-s transition B-> (D) τν EW penguin tau LFV 0(10%) physics (Now) => 0(1%) physics (Future) CERN Flavour WS report: arxiv:0801.1833
24 LHCb 実験との比較 : 車の両輪 LHCb 利点 :Bs の CP の破れ Bs->µµ Marcel Merk, May 26 2008, at CERN
25 Recent LHCb results S.Stone, ICHEP2012
S.Stone, ICHEP2012 26
S.Stone, ICHEP2012 27
28 Recent LHCb results S.Stone, ICHEP2012
29 New physics examples SUSY Charged Higgs boson Little Higgs model Extra-dimension 次世代 B ファクトリーが動き出すころは LHC の初期の成果は出そろっているはず
30 LHC SUSY 大統一があるか ニュートリノの質量はシーソー機構によるのか 新たな CP の破れの原因はあるか などの問題が重要となる クォークおよび荷電レプトンの LFV に様々なシグナルが見える可能性がある
31 Bd->K*γ モードの Timedependent CP asymmetry B->φKs と B->J/ψKs の Timedependent CP asymmetry の差 Super B Super B Right-handed sdown sector のフレーバー混合の効果 (Seesaw+GUT) 新しいCPを破る位相の効果 (T.Moroi, 2000) T.Goto,Y.O., T.Shindou,M.Tanaka, 2007
標準模型 0.02 SU(5) + ν R degenerate νr nondegenerate ν R NH IH D (I) NH (II) NH U(2) FS A CP (b sγ) 新物理の識別 0.02 0.2 S(B K*γ) 0.2 0.1 S(B ργ) S(φK S ) S(J/ψK S ) 0.1 0.2 0.2 0 [TeV] 3 0 [TeV] 3 [TeV] 3 ~ holizontal axis = m(d 1 ) T.Goto,Y.O., T.Shindou,M.Tanaka, 2007
33 Lepton Flavor Violation τ->µγ, τ->eγ vs. µ->eγ τ->µγ B(τ->µγ) τ->eγ µ->eγ B(µ->eγ) T.Goto,Y.O., T.Shindou,M.Tanaka, 2007
34 Summary table of flavor signals for msugra, SUSY seesaw, SUSY GUT, MSSA with U(2) flavor symmetry LFV Large LFV signals=> possible slepton mixing signals at LHC T.Goto,Y.O., T.Shindou,M.Tanaka, 2007
35 LHC LHC charged Higgs search と B factory は MSSM の同じパラメター領域に敏感 B の崩壊と比較して Charged Higgs coupling universality のテストができる
36 M H =300 GeV LHC charged Higgs production における tanβ と tbh coupliing determination B->τν, B->Dτν における cbh, ubh coupling determination A.Cornell, A.Deandrea, N.Gaur, M.Klasen, H.Itoh, Y.O. 2009
37 LHC Little Higgs with T parity SU(5)/SO(5) non-linear sigma model At ~10 TeV, UV completion theory At f ~ O(1) TeV T-odd bosons: W H, Z H, φ ij, T-odd fermions: u H, d H,l H Top partners T +, T - Less than ~200 GeV T-odd heavy photon A H SM particles l V Hl W H,Z H,A H l H New flavor mixing in heavy lepton/quark sectors. FCNC や LFV 過程に効く
38 LFV signals は LHT と SUSY では違う特徴をもつ M.Blanke, A.Buras, B.Duling,S.Recksiegel, S.Tarantino, 2009
39 LHC LHC reach on extra-dim models g µ G KK Flat extra dim, KK graviton exchange to µµ g µ Warped extra dim, G KK -> µµ CMS TDR 2006
40 KK graviton exchange T.Rizzo in SLAC WS Proc. KK graviton exchange can induce tree-level FCNC coupling. Differential branching ratio of b->sll processes Lepton FB asymmetry: A FB (s) Flat Extra Dim Warped extra dim m KK1 =600 GeV m KK1 =700 GeV M=1.5 TeV M=1TeV
Examples of New Physics Models and flavor signals 2003 SLAC WS Proceedings, hep-ph/0503261 41 MFV SUSY MFV Extra Dimension models 標準模型の予言からのずれのパターンは模型によって違う MFV
42 TeV の物理を解明するには直接探索と間接探索の両面が必要 間接探索の役割は新しい相互作用の性質を探ること B ファクトリーの特徴は様々な過程のいろいろな観測量により たくさんの質的に違った情報を得ることができる点 今までの B ファクトリーではいろいろな物理量が測定できるようになっていきた 現在見つかっている過程が新しい物理の探索に有用となるためには ほとんどの場合一ケタぐらい精度を上げる必要がある