belle 実験の最新結果（ 2008 年夏）

Belle 実験の最新結果（ 2008 年夏）

2008 年 8 月 5 日宮林謙吉

（奈良女子大学理学部）KEK 機構内セミナー

For Belle collaboration

お品書き

• イントロダクション• 風変わり（エキゾチック）なハドロンの話題• CP 非保存 (B0→K00)• 稀崩壊 (B→K(*)l+ l-)• まとめ

途中、　　は「素人向け」、　　は「玄人向け」玄素

イントロダクション• 加速器での「素粒子の調べ」は、自然が仕込

んだ「 iPod shuffle 」を鑑賞するようなもの– 電子ビームと陽電子ビームが衝突するたび、どんな反応

＝事象 (event) が生じるかは確率的。– 音程（＝質量）はいくらか？　音色（＝崩壊幅）は？　曲

目（＝崩壊モード）はどんなものがあるか？

=

素

量子力学と相対論の１ページ復習素

「電子、陽子といった粒子も波としての性質を持つ」E = h

E: エネルギー、 h: プランク定数、 : 振動数

「質量とエネルギーは等価である」E = mc2

E: エネルギー、 m: 質量、 c: 光速ただし、運動量 p も考慮すると

E2 = (mc2)2 + (pc)2

質量スペクトルで粒子を観測する素

QS 質量MP

事象数

音叉は単一のサインカーブを出す

P

Q

S

Q と S を検出器でとらえてエネルギーと運動量を測ったら、P の崩壊から来たものかどうか、質量を計算して考察(mc2)2 = E2 - (pc)2

注 : エネルギー、運動量の保存

振動数440Hz

振幅の大きさ

幅：測定精度 or寿命の逆数

振動数（ = 質量）が互いに重なった

複数の成分には注意が必要•ラジオも、二つの局が互いに重なった周波数で放送すると混信。•波の重ね合わせ（干渉）は、位相差により、強め合うとき (constructive interference) と、弱め合う場合 (destructive interference) がある。位相差を考慮した手法 (Dalitz 解析 ) が有効。

観測された波が青と赤の波の強め合う干渉であるとき

観測された波が青と赤の波の弱め合う干渉であるとき

素

KEKB 加速器

800fb-1

Int. lum.

Lum./day

8GeV(e-)X3.5GeV(e+) 、世界最高のルミノシティ (輝度 )最新結果は Υ(4S):605fb-1 、 Υ(5S):22fb-1 + エネルギースキャンのデータを解析

1fb-1/day

Silicon Vertex Detector

Central Drift Chamber

Aerogel CerenkovTime Of Flight CsI calorimeter

S.C. solenoid

1.5T

KL μ system

8GeV e-

3.5GeV e+

Belle 測定器

汎用で粒子識別能力に優れた高分解能スペクトロメーター

ハドロン (hadron) 素

•構成要素としてクォークを含む粒子•これまでに知られているハドロンは、

-陽子や中性子のようにクォーク３つからなるバリオン-Kやのようにクォーク・反クォークからなるメソンのいずれかであった。

風変わり（エキゾチック）なハドロン

qq(メソン ) 、 qqq(バリオン ) でないものも可能性あり。

ペンタクオーク :e.g. an S=+1 バリオン

グルーボール :gluon-gluon color singlet states

テトラクオーク :

qq-gluon ハイブリッド

u cuc

c c

ud

usd

構成要素として cや b を含むと• 軽いクォーク (u,d,s) は混ざる場合があるが

重いクオーク (Mc~1.5GeV 、 Mb~5GeV) なので混ざらない。

• 特に cc の場合、 J/(cc の 1S束縛状態 )や’ (2S束縛状態 ) は e+e-や + - に崩壊してくれるので、実験データ中に明瞭な信号を得やすい。 bb の場合も、 Υ(1S) 、 Υ(2S) 、 Υ(3S) は + -への崩壊が使える。

QuickTime˛ Ç∆TIFFÅiîÒà≥èkÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄÇ™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇΩÇflÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB QuickTime˛ Ç∆TIFFÅiîÒà≥èkÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄÇ™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇΩÇflÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB→→’

例：玄

テトラクォークの場合は

u cuc

• ccuu, ccdd であれば中性だが、 ccud のような組み合わせならば電荷を持つ。

• cc を含み、電荷をもつハドロンの探索が興味深い。

d cuc

d cdc

電気的に中性電荷１を持つ

電荷を持ち cc を含む二つの新粒子、 Z1, Z2 の発見

B 中間子の崩壊におけるcc を含むハドロンの生成

B

K, K*

B 中間子の崩壊過程は cc を含むハドロンの源として使える。カビボ抑制なし (Vcb と Vcs)→崩壊分岐比は割合高い。

Spectroscopy（分光学的研究）

↓質量 , 幅 ?新しい状態は ?

玄

チャーモニウム (通常の cc束縛状態 )

これらの状態はすでに同定されている。

DD 生成閾値を超す質量のものはいまだよくわかっていない。DDや DD*への崩壊は強い相互作用で起きるので、これらが支配的になり、崩壊幅が広くなる、というのが旧来の常識。c

J/

’

玄

チャーモニウムの再構成

+-

e+e-

J/→レプトン対という過程は、質量分布の中に明瞭なピーク

c1, c2 → J/(2S)→ J/ +-

c1

c2

高いエネルギー準位のもの ((2S), c) は質量差分布のピークを利用

チャーモニウムの再構成 (続 )

B 中間子崩壊の再構成

Υ(4S)→ BB二体反応の運動学を利用

Mbc = { (ECM/2)2 - ( Pi)2}1/2

信号は B質量にピーク (5.28GeV)

E = Ei - ECM/2信号はゼロにピーク

Example; B0→ J/ KS

E(GeV)

Mbc(GeV)

復習： cc を含むエキゾチックハドロンを B 中間子崩壊中に探す

X(3872) はB→ J/ +- K 崩壊でJ/ +- の質量分布にピークとして出現

荷電テトラクォークの中には、チャーモニウムと荷電パイ中間子に崩壊するものがいるのでは？B→ チャーモニウム ± K でチャーモニウム ± の質量分布にピークを探そう！

復習： B→Z(4430)±K の観測

QuickTime˛ Ç∆TIFFÅià≥èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇΩÇflÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB

’±K(K は K∓ または KS) の組み合わせで B 中間子を再構成’ は e+e-, +- または J/ +- で見つけられる。B→ ’±K の信号は比較的きれいなピークとして観測される。

ありふれた崩壊モードである B→ ’K* がいっぱい入ってるので、 Dalitz平面上の分布をチェック。 PRL100,142001 (2008)

復習： Dalitz 分布



K*(892)

K*2(1430)

M2(K)

M2(

’)

ここに事象の集中がある。これは何だ？

PRL100,142001 (2008)

B→ ’±K過程の M(’±



4430MeV/c2 に明瞭なピークあり(発見者は Z(4430) と命名 )!

E サイドバンド領域の分布で見積もったバックグラウンド

フィット : Breit-Wigner (ピーク部分 )+ 位相空間分布 .

Npeak=121±30events(6.5)M=4433±4±2 MeV/c2

=44 +18/-13 +30/-13 MeV.

これは cc を含むハドロンのうち、電荷を持つ状態をはじめて観測したもの！

チャーモニウムではあり得ず、荷電テトラクォークである公算が高いと思われる。スピンやパリティを決定するには、さらに実験データの蓄積が必要PRL100,142001 (2008)

玄

柳の下に二匹目のどじょう（？）

Z(4430)+ は B→ ’±K過程で、’ののののののののののののののの’ ののののの c1 を用いて同じことをしたらどうなるであろうか？

QuickTime˛ Ç∆TIFFÅiîÒà≥èkÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ


B0→ c1±K∓過程の信号は明瞭に得られる



では Dalitz平面上の分布は？

Belle preliminary

arXiv:0806.4098

Dalitz 分布



K*(892) K*(1430)

このあたりに事象の集中がある。これは一体何だろう？

Belle preliminary

arXiv:0806.4098

Dalitz 解析

• B0→ c1±K∓崩壊に寄与する様々な過程の波動関数（ =遷移振幅）を Dalitz平面上の関数として入れる。

– B0→ c1K*, K*→ ±K∓の類；

, K*(892), K*0(1430), K*

2(1430), K*(1680), K*3(1780)

– B0→Z K∓, Z→ c1± の類；

Z は一つでよいか？近接した二つが重なり合っていないか？

• 上記の Dalitz平面上の関数を用いてフィット（ = 最尤度法）

玄

Z なし、 or 一つの Z





1.0GeV2<MK2<1.75GeV2

Z なしの仮定データを再現できず

一つの Z を仮定

M(c1)2 (GeV2)M(c1)2 (GeV2)

Eve

nts/

0.2G

eV2

Eve

nts/

0.2G

eV2 二つの

近接したピーク？

Belle preliminary

arXiv:0806.4098

M(c1±) 分布



1.0GeV2<MK2<1.75GeV2

Belle preliminary

ののののののののの c1± に崩壊する粒子が存在することを強く示唆； Z1 と Z2

c1± に崩壊する粒子が存在しない仮定でのフィットは実験データを再現できず。

arXiv:0806.4098

Z1と Z2

Z1, Z2 の結果まとめ• Z1

M=4051 ±14(stat) +20/-41(syst) MeV=82 +21/-17(stat) +47/-22(syst) MeV

Br(B0→Z1±K∓)×Br(Z1

± → c1±)=(3.0 +1.5/-0.8(stat) +3.7/-1.6(syst))×10-5

• Z2

M=4248 +44/-29(stat) +180/-35(syst) MeV=177 +54/-39(stat) +316/-61(syst) MeV

Br(B0→Z2±K∓)×Br(Z2

± → c1±)=(4.0 +2.3/-0.9(stat) +19.7/-0.5(syst))×10-5

　柳の下に、二匹もどじょうが！！

Belle preliminary

arXiv:0806.4098

Yb:b クォーク対を含む新しい

ハドロン

復習： cc を含む” Y” 粒子

衝突直前の e+ （または e- ）が光子を放出、有効な衝突エネルギーが下がって生じる反応がある。 Radiative return 、または Initial State Radiation(ISR)と呼ばれる。



BaBar:”Y(4260)”PRL95,142001



cc を含んで重いのに J/ に崩壊する。bb でも同様の粒子 (Yb) がいるか？

Belle:”Two Ys, 4.05GeV and 4.25GeV”PRL99,182004

”Υ(5S)”→Υ(nS)+- (n=1,2,..)



“Υ(5S)”

重心系エネルギー

ハド

ロン

生成全断面積

Υ(4S)→B0B0, B+B-

Υ(5S)→B0B0, B+B-, BSBS などB 中間子の類の対生成が支配的で、その他の過程の存在は Bファクトリー実験以前にはわかっていなかった。

しかし、 Bファクトリーの高統計データにより（→次頁）

”Υ(5S)”→Υ(nS)+- （続き）Υ(4S)→ Υ(1S)+-, Υ(2S)+-, Υ(3S)+- が存在することがわかった (PRD75,071103R) 。”Υ(5S)”→ Υ(nS)+- も測定したところ、





”Υ(5S)”→ Υ(1S)+-, Υ(2S)+- は Υ(4S) などの場合とくらべて数十倍も大きい！ (PRL100,112002)

ISR

”Υ(5S)”

これは一体どういうことか？終状態（＝曲目）を Υ(1S)+-, Υ(2S)+- に限ると、 Υ(5S) (bb の束縛状態 ) とほぼ同じ質量のもう一つの粒子 Yb が作られて、重なり合っているのでは？（＝ほぼ同じ音程で、その曲だけ得意な演奏者が隠れている？）

B0B0, B+B-,BSBS, …

Υ（ 1S）Υ（ 2S）

Υ（ 5S）

Yb

Belle

重心系エネルギーを 10.689GeV の近傍で変えながらデータ収集（ =Yb と Υ(5S) の音色の違いを調べたい） = エネルギースキャン

エネルギースキャンの結果





BB 、 BSBS など”全曲目”既知の Υ(5S) （あるいは Υ(6S) ）データと無矛盾。

Υ(ns) に限ると、ピーク位置(= 最も得意な音程 ) と幅 (= 音色 ) が既知の Υと違っている！M=10889.6±1.8(stat)±1.5(syst) MeV=54.7+8.5/-7.2(stat)±2.5(syst) MeV

Yb がいた！

Belle preliminary

B→K の CP 非保存中性 B 中間子と荷電 B 中間子で、 CP 非保存が異なる。(Nature452,332)

標準模型を超える物理の探索には、 B0→K00 の CP 非保存との関連を議論するのがよい（ Sum Rule ： Gronau, PLB627,82, etc. ）

玄

B0→K00 の CP 非保存

KLevts

KSevts

SCP=+0.67±0.31(stat)±0.08(syst)ACP=+0.14±0.13(stat)±0.06(syst)

Sum Rule の予想では− 0.151±0.043スーパー Bファクトリーで重要なテーマ

Belle preliminary

初挑戦！

玄

B → K(*)l+l-

ループのあるファインマン図形で生じる→標準模型を超える物理に感度。レプトン対の質量分布、角度分布などが新しい物理の探索に有用。

玄

M(K) Mbc

K*l+l- : 230±23events

Mbc

K l+l- : 166±15eventsBelle preliminary

Belle, 08’ ICHEP

BABAR, 08’ FPCP

Melikhov et. al (quark model, PLB 410, 1997)

Ali (PRD 66, 034002, 290, 2002)

レプトン対質量 2=q2 分布

K*l+l- Kl+l-

BaBar の結果、理論計算と無矛盾。

Belle preliminary

レプトン角度分布

Bl > /2 : 前方 (Forward)Bl < /2 : 後方 (Backward)

玄

AFB

Belle preliminary

標準模型の予言では、 q2 が小さい領域 (4GeV2以下 ) の領域で AFB がマイナスになる。一方、実験データはその領域で AFB がプラスである。

標準模型との矛盾を確認するにはさらにデータ必要→スーパー Bファクトリーで重要なテーマ

まとめ• 新たに３つの風変わりなハドロンを発見した。

– Z1 と Z2 : cc を含み、 c1± に崩壊する。 Z(4430) に続く荷電テトラクォーク候補。

– Yb : 質量 10889.6 GeV で、 Υ(nS) に崩壊、既知の Υ(5S) とは別物であるとエネルギースキャンで明らかに。

• B0→K00 崩壊の CP 非保存– Sum Rule の期待と ACP が逆符号

• B→K(*)l+ l - の AFB

– 標準模型と q2 の小さい領域 (<4GeV2) で符号が不一致

Belle の今秋冬と来年度のデータ、スーパー Bファクトリーに希望が膨らむ成果となりました。

belle 実験の最新結果 （ 2008 年夏）

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