質量起源と超対称性物理の研究

計画研究A2：Bファクトリーを用いた質量起源の探求

本計画研究の目的は，KEK Ｂファクトリーでの実験の第二段階として， この標準理論の先にあると思われる， より基本的な物理法則についての手がかりを得ることにある。 標準理論は，個々のフェルミオンの質量が， なぜ現在観測されているような値になっているのかを説明することはできない。 さらに，最近のニュートリノ実験が強く示唆するゼロでない有限な値のニュートリノの質量は， ニュートリノは質量をもたないと仮定する標準理論に，その変更を迫っている。 我々の研究は，個々のフェルミオンの質量はどのような原理・法則のもとに 決まっているのか，これを説明する標準理論の先にあるより基本的な物理法則の発見を目指して， 新しい物理が出現すると期待されているＢ中間子の稀な崩壊過程を， 現在の実験装置の約２倍の分解能を持つ装置を 使って精密測定することを目的としている。 特に，より基本的な物理法則として期待されている， フェルミオンとボゾンの間の対称性に基づく「超対称性理論」 の予測するＢ中間子の崩壊モードの 精密測定を研究期間内の第１の目標としている。

我々が、過去５年間にわたって開発研究を続けてきたピクセル検出器を用いると， Ｂ中間子の崩壊点を約$50~\mu{\rm m}$ の精度で測定することができる。 これは，現行の検出器の精度を２倍以上向上させたもので，その結果 Ｂ中間子崩壊によって生成したチャーム中間子などの崩壊点の同定も可能である。 このため，Ｂ中間子崩壊の中で， 超対称性理論の効果が現れると予測されている 崩壊モード( $B^0\to K^*\mu^+\mu^-,K^*e^+e^-,X_s\gamma, X_d\gamma$など)のデータに含まれるバックグランド（主に, チャーム中間子）を取り除いて，データ のＳ／Ｎ比を飛躍的に向上することができる。その結果,きわめて稀にしか発生しない 超対称性反応の検出が他の実験に先駆けて初めて可能になる。 もし逆に，この結果超対称性反応が検出できなければ， 超対称性理論に大きな制約を課すことができる。

ＫＥＫのＢファクトリーは，世界最大のビーム強度を達成しており， スタンフォード大の同型加速器と並ぶ 世界最高の性能を誇っている。 次の５年間で稼動する加速器は， これら２つのＢファクトリーと， 米国フェルミ研究所の陽子・反陽子加速器おいて他にはなく， 標準理論を超える新しい物理の研究に， わが国の高エネルギー加速器実験が大きな寄与をすることができる。 我々のグループは,Ｂファクトリーを使って,Ｂ中間子におけるＣＰ非保存現象について すでに国際的に評価の高い結果を出してきた。 ＫＥＫのＢファクトリーに,我々の開発した高い位置分解能を 有した次世代荷電粒子崩壊位置検出器を 導入すれば，Ｂ中間子物理を生み出す独壇場となるだけでなく, 今後の素粒子物理学の方向を決める重要な結果を得ることができると確信している。

平成14年度

• 擬ピクセル検出器に基づく，Ｂ中間子の第２世代崩壊位置検出器を完成し，宇宙線による性能試験を重ねた後， Ｂファクトリーのビームラインに設置する。 そののちＢファクトリーのビームを使って，検出器のアラインメント（位置出し）を行うとともに， 位置分解能を宇宙線や電子陽電子弾性散乱(Bhabhar scattering)を使って測定する。 同時に，Ｂファクトリー実験装置(Belle)の各検出器との調整を行う。 また，Ｂファクトリーから擬ピクセル検出器に放出される放射線 （主に，γ線）バックグランドを，ビーム衝突点近傍に設置した 放射線モニター（小型PINダイオードで製作したもの）で測定し， Ｂファクトリーのビームの調整を行う。
• 標準理論が予想するＣＰ非対称なＢ崩壊モードについての測定を 完了させ，ユニタリー三角形の測定を完了する。三角形の内角の和が，πになるかどうかが， Ｂ中間子のＣＰ非保存現象の起源が標準理論のみにあるのか， それとも超対称性のような新しい物理を必要とするのかを知る第一歩となる。
• 標準理論では，ＣＰ非保存が予想されておらず，超対称性の効果が出現すると期待されている Ｂ中間子の崩壊モード ( $B^0\to K^*\ell^+\ell^-, \phi K_S, X_s\gamma, X_d\gamma$)について，部分崩壊幅の測定など， 予備的な測定を行う。
• 大面積シリコントラッカーの製作を行う。

平成15年度

• 擬ピクセル検出器を用いて $B^0\to \phi K_S$と $\overline{B}^0\to \phi K_S$の崩壊時間分布の精密測定を行う。 この崩壊モードは，超対称性の効果に敏感な反応として期待されている反応である。
• $B^0\to K^*\ell^+\ell^-,X_s\gamma, X_d\gamma$について高統計測定を行うとともに， 擬ピクセル検出器を使って，チャーム中間子によるバックグランドの排除をより一層進める。 標準理論から予想されるこれらの反応の分岐比$10^{-6}$を十分に観測できる感度を達成できる。 超対称性理論が正しければこれらの反応の断面積が大きくなるだけでなく，ＣＰ非対称性も出現する。
• 大面積シリコントラッカーを完成させ，擬ピクセル検出器の外側に設置する。
• チャーム中間子崩壊におけるＣＰ非保存: ＣＰの混合状態である $D^0\to K^-\pi^+$崩壊とＣＰの固有状態である$D^0\to K^-K^+$崩壊への寿命の差を測定すると $D^0$中間子におけるＣＰ非保存現象を測定することができる。 標準理論の予想は$0$であるが，超対称性は有限値を与える。このモードの高精度の測定を行う。

平成16年度

• $B^\pm \to \tau^\pm\nu$の測定：このモードの分岐比に対する 標準理論の予想値は，$10^{-5}$であるが，超対称性理論などの新しい物理の存在はこの分岐比を増加させる。
• 以上の測定を通じて，超対称性理論現象についての手がかりをつかむ。 あるいは，超対称性理論に対して， これまでの実験では得られなかった強い制限を与える。いずれの測定においても， 第２世代シリコン検出器（ピクセル検出器）の存在が不可欠である。

平成17年度

• これまでに得たBファクトリーのデータすべてを用いて，標準理論の self consistency （自己無矛盾性）を 理論グループとともにテストする。標準理論の質量生成機構（ヒッグス機構）がB中間子崩壊の精密データと矛盾しないか どうか多自由度最尤法 (Multi-parameter Maximum Likelihood Method) による解析を行う。もし矛盾がなければ超対称性 を含む新理論に強い制約を課すことができる。 逆に，もし矛盾が明らかになれば素粒子論の基盤を揺るがす発見となる。
• 超対称性現象直接探索の総括を行う。

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