b ファクトリー と フレーバ物理の歩み 名古屋大学　大島　隆義　

　 B ファクトリー と 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 フレーバ物理の歩み

名古屋大学　大島　隆義　

PowerPoints from 山内、羽澄、幅、飯嶋プレゼン

Prologue

　　 　　　 B ファクトリー　　　標準理論最後の未解決課題　 CPV 　への挑戦

たった二つの CPV 反応

K0 中間子崩壊　と　 B0 中間子崩壊

Higgs Neutrino mass (Oscillation)

1964 Cronin & Fitch1973 Kobayashi & Maskawa

1930 Pauli

小林・益川　 CP位相

Chapter 1

● CP 　 =　　粒子世界　⇔　反粒子世界Dirac 方程式

0)( mi

◎

▽

△

○粒子

反粒子

KEK B ファクトリーでの B 中間子生成

B0 中間子

反ボトムb

B0 中間子

ダウンd

ボトムb 反ダウン

d

寿命　 B0) = 1.537 ps質量　 M(B0) = 5.279 GeV/c2

_e+(3.5GeV) e(8GeV) (4s) B0B0

ウプシロン 10.58 GeV/c2 ~50%

(4s) の生成レート： 1 秒間に中性 B 中間子対を約 5 ペア年間約１億個の中性 B 中間子 :B0 と B0 が同数生成される . （ほぼ同数の荷電 B 中間子対 B+Bも生成される）

C P CP T CPTEleMag

○ ○ ○ ○ ○

Strong ○ ○ ○ ○ ○

Weak × × × × ○

weakstrongelemag

e g GF

● 相互作用　と　 KM 行列　（ CP 位相と Unitarity ）

Euler angleただし、３次元複素空間

波動関数は複素関数

⇒実空間と虚数空間の回転

d

b

s

s'

d'

b'

質量固有状態

フレーバ固有状態

u

t

c

B 　物理においては、top mass の異常な重さが本質的に重要な役目を果たす

● 相互作用　と　 KM 行列　（ CP 位相と Unitarity ）

Euler angleただし、３次元複素空間

波動関数は複素関数

⇒実空間と虚数空間の回転

real

imag

Kobayashi-Maskawa (1973)

Flavor eigenstate

Mass eigenstate

CKM

'

'

'

ud us ub

cd cs cb

td ts tb

V V Vd d

s V V V s

b bV V V

KM

W－

d(s,b)uV*ud(s,b)

u c t

d s b

3X3　unitarity　triangle　has　3　rotational　angles　and　one　comlex　phase. CPV

Mixing ⇒ Flavor changing

Mixing がなければ　⇒　 Family (UP⇔DOWN) 間の遷移のみ。　　　　　　　　　　　　　　⇒　自然はシンプル（原理的に）、かつもっと豊富（現象的に）。

Mixing （原理的に複雑）のせいで　⇒　自然は単純（原理的、現象的）に。

9

The Unitarity Triangleud us ub

cd cs cb

td ts tb

V V V

V V V

V V V

2 3

2 2 4

3 2

1 ( )2

1 2(1 ) 1

A i

A

A i A

Wolfenstein

* * * 0ud ub cd cb td tbV V V V V V

2

3 1

*

*tb

cb

td

cd

V

V V

V*

*ubud

cd cb

V

V V

V

1

KM

unitarity

/ SB J K

,B

B DK

B-B mixinguB X

2

( ) 1 ( )2

2004/05/14 　羽澄昌史 （ KEK) 　 　 　 　於 北海道大学 10

Time-dependent CP violation in B decaysincluding direct CP violation

●中間子の重ね合わせ　と　振動　（ Beauty　Oscillation　）

質量固有状態　 　 　　　 e-iMt

質量固有状態 と フレーバ固有状態

　　　　　　(　BH+BL　)　,　

　　　　　　(　BH-BL　)　,　　　　　　　

　　　　　　　　exp(-i)　　　　exp(-2itd)

12p

12q

qp

MH ML

L

H

e-iMHt

e-iMLt

１

粒子の状態空間

複素空間での回転（ ± ）

波の重ね合わせ波の重ね合わせ

0　(t)　=　　　e–iMt　e-　　　t　　　　　　　　　　　　cos　　　　　　　t　B0(0)　–　i　(e-2itd)　sin　　　　　　t　　B0(0)　

2M 2

M 2

2

M 2

M 2

0　(t)　=　-ie–iMt　e-　　　t　　　　　　　　　　　　sin　　　　　　　t　　B0(0)　+　i　(e-2itd)　cos　　　　　　　t　　B0(0)　

e2itd

e-2itd 0　(t)

e-2itd

0　(t)

波の重ね合わせ波の重ね合わせ

共通振動数共通振動数 減衰項減衰項 うなり項うなり項

左回転左回転

右回転右回転

M　=　 MLMH - ,　M　=　 ML(　MH + )/2

Beauty oscillation

13

0Bb

d

0B

t

t

W W

b

d

0B0B

t

t

W W

b

d b

d

e-itd

0B

0B

e-itd

e+itd

e+itd

B0B0　　mixing

Dilepton　events1.1　<　Pcms　<2.3　GeV/c-0.8<coscms<0.95

A(Z)　=(Nos-Nss)/(Nos+Nss)

　Z　taken　as　distance　of　two　decay　　　Vertecies

PDG2002m　=　0.489±0.008　ps-1

09.003.001.1

ps 010.0008.0503.0

0

-1

ff

md

Chapter ２

HighLight-1

従来の加速器を超える KEKB

世界最高のルミノシティーを達成！

　　わが国の加速器研究者の能力未知への挑戦

KEKB Collider

~1 km in diameter

Mt. Tsukuba

KEKBBelle

8 GeV e8 GeV e-- x 3.5 GeV e x 3.5 GeV e++

@ 1.2A x 1.6A@ 1.2A x 1.6ALLpeakpeak = 1.39 x 10 = 1.39 x 1034 34 secsec-1-1cmcm-2 -2

11mrad crossing

~287 fb-1275M BB253 fb-1 on Y(4S)

28 fb-1 below Y(4S)

-

KEKB

PEP-II

KEKB+

PEP-II

Luminosiry

HighLight- ２

非対称衝突加速器

量子力学量子力学とハイテクの Detector/ Belle

tagging 法時間差 t

(4s) = (B0B0-B0B0) QM の非局所性B0 （ B0 ）の振動 oscillation　　　　　　　　　　　　　 と干渉 interference

20

Method to study CPV

e-(8.0GeV) e+(3.5GeV)

B0

B0B0

Produce B and B by e-e+ collision

-

K-

B flavor tagging

J/

KS

-

+Detect BJ/ Ks

t=0 Measure time-dependence

Asymmetric collision w/ high luminosityDetector w/ good vertex & particle id. capability

　/ KL detection 14/15 lyr. RPC+Fe

Tracking + dE/dx small cell + He/C2H5

CsI(Tl) 16X0

Aerogel Cherenkov cnt. n=1.015~1.030

Si vtx. det. 3 lyr. DSSD

TOF counter

SC solenoid1.5T

Belle DetectorBelle Detector

8GeV e

3.5GeV e

May 14, 2004 Seminar on Physics at KEK B Factory Masashi Hazumi (KEK) 22

シリコンバーテックス検出器（ SVD)

Belle CollaborationBelle Collaboration

Aomori U.BINPChiba U.Chuo U.U. of CincinnatiFrankfurt U.Gyeongsang Nat’l U.Hiroshima Tech.IHEP, BeijingITEPKanagawa U.KEKKorea U.Krakow Inst. of Nucl. Phys.Kyoto U.Kyungpook National U.U. of LausanneJozef Stefan Inst.

U. of MariborU. of MelbourneNagoya U.Nara Women’s U.National Central U.Nat’l Kaoshiung Normal U.Nat’l Lien-Ho Inst. of Tech.Nat’l Taiwan U.Nihon Dental CollegeNiigata U.Osaka U.Osaka City U.Panjab U.Peking U.Princeton U.RikenSaga U.USTC

Seoul National U.Sungkyunkwan U.U. of SydneyTata InstituteToho U.Tohoku U.Tohuku Gakuin U.U. of TokyoTokyo Inst. of Tech.Tokyo Metropolitan U.Tokyo U. of A and T.Toyama Nat’l CollegeU. of TsukubaUtkal U.IHEP, ViennaVPIYokkaichi U.Yonsei U.

Chapter 3

HighLight- ３

　　 K 中間子以外での

Large CPV （ B0→J/+KS) の検出

Mixing CPV

小林・益川　＆　三田　　　　の予想を確証

25

The Golden Decay

• Treeb

cs

W /J

d d SK

0B

c

0 / SB J K

0Bb

d

0B

t

t

W W

b c

s

W

/J

d dSK

c

0 0 / SB B J K • Box + Tree

0 / SB J K

～位相なし

0　(t)→ ｆ＞　 =　　　　　　　　 0　(0)→ ｆ＞　　　 cos　　　　　　　t　　–　i　(e-2itd)　sin　　　　　　t　　R　

M 2

M 2

0　(t)→ ｆ＞　 =　-i　　　　　 0　(0)→ ｆ＞　　　 sin　　　　　　　t　　+　i　(e-2itd)　cos　　　　　　t　　R　

M 2

M 2

e2itd

　=　e-iMt-　　　t　,　　R　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　=　1　　

2

0　(0)→ ｆ＞　

0　(0)→ ｆ＞　P(0　→ f ；ｔ )　=　e-t1　–　sin(2td)　sin(Mt)

P(0　→ f ；ｔ )　=　e-t1　+　sin(2td)　sin(Mt)

P(0　→ f ；ｔ )　-　P(0　→ f ；ｔ )　P(0　→ f ；ｔ )　+　P(0　→ f ；ｔ )　

Asymmetry　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=　　　sin(2td)　sin(Mt)

For B0→J/+KS

Sub decay modesSub decay modes

J/

+-

=9.6MeV/c2

J/e+e-()

=10.7MeV/c2

Mll (GeV/c2)

’+-,e+

e-

=12.1 MeV/c2

’

Mll (GeV/c2)

c

1

c

2

Mll-Mll (GeV/c2)

c1,c2J/+

=7.0 MeV/c2

M(KS+-) (GeV/c2)

M=4.1 MeV/c2

M(KS00) (GeV/c2)

M=9.3 MeV/c2

in inclusive J/ events

0

: 140/fb

HighLight- ４

　　 Direct CPV （ B→) の検出

Direct CPV

K0 中間子　 Re(’)　 ～２ｘ１０－３ 　　KM 理論と標準理論の確証　　　　

Other fCP B0 +

+- : 231.4K : 83.3qq : 168.3total : 483

1529 candidates (801 B0- and 728 B0-tags) containing (372 　 　signal events

0.86 < LRHigh quality

140fb1

+

AD =

Tree

Penguin

Polution??

May 14, 2004 Seminar on Physics at KEK B Factory Masashi Hazumi (KEK) 31

Decay rate with direct CP violation

)]}Δcos()Δsin([1{4

);(0

0|

0 tmtmτ

etfB dd

B

/τt|

CP

B

ASP

)]}Δcos()Δsin([1{4

);(0

0|0

tmtmτ

etfB dd

B

/τt|

CP

B

ASP

C A is also usedex)

2004

2003

2002

2007

2005 2005

Asym.　in　B0 →J/　+　K0

Asym.　in　B0 →+-

HighLight- ５

多面的に攻略CP 三角形は？

多面的（多数の崩壊モード）探究が可能　　

他の崩壊様式の図

Future prospect of LFV decay

New resonanceZ(4430)

(→) measurement in two photon processe　LFV

　LFV

Highly Cost Effictive

Variety of Physics Outputs

Chapter ４　

まとめ

1．1．KEKB/BelleKEKB/Belle 　は大戦果　は大戦果

● 　世界最強度の加速器● 　 CP 現象の検出

わが国の加速器素粒子実験（加速器＆実験）の集大成。

INS （核研）； KEK-PS; 　 TRISTAN

INS(1956-1997)

TRISTAN(1981-1998)

PS(1971-2004)

２．　わが国理論＆実験研究者　わが国理論＆実験研究者　　　　　　　の歴史的成果　　　　　　の歴史的成果

● 　小林・益川　 　三田● 　 Belle

３．　現象論的研究から　本質論（物理論）へ

● 　標準理論と CPV　　　　　　　　　　　　　 　 SM → 　 Higgs （ SSB) 　→　 CPV

B 物理、特に、 CPV は top-quark のズバ抜けた重さ がGIM　mechanism のバランス（ GIM　suppression ）を崩し、box や penguin　diagram の寄与を大きく全面に押し出す。

その結果が、 CPV や Flavour　Changing　Neutral　Current

　(FCNC) の rare　decay の著しい enhancement　 である。

Higgs が、その現象の底辺を構成する。本来は、 Higgs-Gauge　boson,　

Fermion-　Gauge　boson 相互作用部は CP 対称に構成され、Higgs-fermion の相互作用部がCP 非対称である。

それが質量問題、つまり、Spontaneous Symmetry Breaking (SSB) を介し、

対称性の破れが Fermion-Gauge　boson部へ転位する。

Gauge bosons

　 Fermions 　

Higgs 　 scalars

P 変換： left-handed と right-handed の相互作用が異なる。C 変換： vector と axial vector 相互作用が対称性を破る。しかし、CP 反転では vector も axial vector も同じように変換。CP不変。

Fermions – Gauge bosons

Higgs による scalar と pseudoscalar 相互作用の mix のため、Pも C も CP も破る。つまり、

すべての CP violation は f と H の相互作用に起因！

Gauge bosons - Higgs

Pも C も、したがって、 CP でも対称。

Fermions – Higgs

L(f, H) は、 Dirac mass term項に変身。

Fermions-Higgs

SSB のもとで、 L(f, H) も fermions に質量を与える。

＝ quark mass matrix （真空期待値と quark-Higgs の結合常数に依存）。

,

Non-physical　quark場が physical な quark場に。 L(f,G) がしわ寄せを受ける。その結果が、 charged　current での P、 C 、 CP　violation 。いわゆる、小林・益川行列 quark　mixing　matrix　V は、

質量固有状態に対角化 unitary変換を

L(f, H) は、 P も C も CP もすべて保存する！,

V=ULU’　+

L

３．　現象論的研究から　本質論（物理論）へ

● 　自然界は対称。自然界は対称。非対称が自然！非対称が自然！

Nature

Natural

位相が一致位相が反対

　　CP　CP　mirrormirror

　　CP　CP　mirrormirror

CP　Conserved　

　　CP　CP　mirror　mirror　

CP　Violated　

B　→　 ＋－

(a) (b)

B　→　 ＋－

Direct　CPV　

Direct　CPV

Direct+Mixing　CPV

CPVCPV源　＝　源　＝　 CPCP変換で位相が反転！変換で位相が反転！

(1-5) 2

dsb

①３次元複素空間の回転②実数部と虚数部（２次元複素面）

　　　　　　　　　　　の回転角（ CP phase ）

③P変換で右手系→左手系へ　＝　CP phase は方向を変える。

d

b

ss'

d'

b'

B ファクトリーはKM 理論を確証した！

Natural

Nature

CP 三角形はHiggs の自発的自発的対称性の破れと同じ？

すべてが相関！

Higgsフレーバーの質量

（なぜ、クォークは我々の知る値をもつか）（自発的対称性の破れ）

Belle の成果を如何に継承、展開するか？

柳の下に二匹目のドジョウがいるか？