The Belle Silicon Vertex Detector
and CP Violation
石野 宏和(東京工業大学)
for the Belle Collaboration
2004年3月8日
科研費特定領域 第2回研究会
@つくば国際会議場エポカル
• イントロダクション
• SVD2とその性能
• 最新のCPの破れの測定結果と展望
Belle実験とKEKB加速器
1周約3km
KEKBは8GeVの電子と3.5GeV
の陽電子の衝突型加速器。
最高ピークルミノシティは
120.0×1032/cm2/s (3月1日) 世界最高
KEKB加速器の性能
continuous injection
絶えず1034/cm2/s以上の
ルミノシティを維持
積分ルミノシティ 約200fb-1
(2003年秋からは約50fb-1)
~800pb-1/day
1日に約90万個のU(4S)を生成。
KEKBは世界最高輝度
を持つ加速器
Belle検出器
CsI Electromagnetic
Calorimeter
Time Of Flight Aerogel Cherenkov
Counter
Counter
3.5GeV positron
beam
Super Conductive
Solenoid coil
8GeV electron
beam
KL muon
detector
Silicon Vertex Detector (SVD)
Central Drift
Chamber
Belle Collaboration
274 authors, 45 institutions
many nations
物理的動機
8GeV electron
3.5GeV positron
U(4s)
CP eigenstate
B0 or B0
(flavor tag
side)
Dz ~ 200mm
• B中間子系での時間に依存するCPの破れ
を測定し、CKM行列の角度を測定する。
– 数億個の大量のB中間子と100mm以下の精
度でのB中間子の崩壊点の測定が必要。
– 実験を遂行するためには世界最高強度を持
つKEKB加速器とSVDが必要である。
Silicon Vertex Detector (SVD)とは
75mm
300mm
50mm
読み出し
チップ
2.84cm
7.96cm
Double sided Silicon Strip Detector
(DSSD) をラダー構造に配置し荷電
粒子の通過位置を約10mmの精度で
測定。
SVD
ラダーを3次元的に配置し、
荷電粒子のトラックパラメー
タを測定。
バーテックスフィットによりB
中間子の崩壊点を測定。
6+12+18+18
= 54 ladders
SVDのアップグレード
• 1999年にSVD version1 (SVD1)をインストール。
– 2003年夏まで順調に作動。
– 4年間の間に約1Mradの放射線照射を受け、放射線耐性の限界に達しよう
としていた。
• 2003年夏にSVD version2 (SVD2)をインストール。
– 20Mrad以上の耐性を持つ。
• 読み出しチップであるVA1TA チップが0.35mmプロセスでつくられた。
– ラダーが3層から4層に増加、最内層の半径が3cmから2cmへ減少、立体
角が約10%向上。
• より高い荷電粒子検出効率とより精度良い崩壊点決定精度
– fast shaper (75 or 300ns)とdiscriminator (TA)をVA1TAチップに実装
• 世界初のSVDを使用したトリガーの試み。
– データ読み出し系の改良。
• DSPの代わりにPCをつかうことによって、約3倍以上のデータ処理速度
を達成。
SVD2ラダーの構造と組み立て
support
ribs
浜松フォトニクス社とメルボルン大学
(オーストラリア)で組み立て。
bridges
hybrids
DSSDs
Flex circuit
512ストリップ読み出し
VA1TA チップ
VA1TAチップ
L0 trigger
Event
VA1TA: AMS 0.35mm process,
radiation hardness up to 20Mrad
•VA1
•shaping time 0.3~1.0ms
•128 channel serial read-out with
5MHz clock
•TA
Hold
Hold
Signal
Shaper
0.3~1.0ms
TA
•faster shaper (75ns or 300ns) +
shift in
discriminator
(L1 trigger)
•128 wired-or out put
•Bias voltage and currents are
generated by internal DAC (in total
680bits)
serial
analog out
5MHz
With L1 trigger, FADC
start AD conversion
SVD2のインストール
news
KEK工作センターの大久保隆治さん、小池重明さん、
佐藤伸彦さん、鈴木純一さんがSVDの構造設計と製作につい
て評価されて、第4回KEK技術賞を受賞なさいました。
ハドロンイベント
SVD2
Central Drift
Chamber (CDC)
news
VA1TAチップのアンプゲインの経時変化
SVD2
SVD1
SVD1.4
SVD1.6
4年間で約1Mradの照射を受
けた。
約4ヶ月で1層目は約40kradの照
射 (積分ルミノシティは約50fb-1)。
第1層目のゲインは30%減少。 ゲインの減少はみられていない。
アライメントとDSSD上の位置分解能
Data
アライメント後
アライメント前
r-f
r.m.s = 65mm
r-f
s = 12mm
50mm
pitch
DSSD ヒット
z
r.m.s = 70mm
z
s = 19mm
75mm
pitch
宇宙線μ
-200mm
+200mm
-200mm
-200mm
Impact Parameter Resolution
Data
r-f
z
SVD1
19.2 ⊕ 54.0/p [mm]
42.2 ⊕ 44.3/p [mm]
SVD2
21.9 ⊕ 35.5/p [mm]
27.8 ⊕ 31.9/p [mm]
低運動量域で約20%以上改善
μトラック
Dz 分解能 (MC)
B→J/y KS MC
SVD1
SVD2
CP side
55.6mm
48.0mm
Tag side
126.5mm
114.7mm
Dz
137.9mm
125.1mm
J/yKSの場合、Dz分解能は
約10%改善。
位置決定効率 は約7%増加。
TAの性能
宇宙線ミューオン事象。
~12000
electrons
malfunction
of cal. pulse
input
10000
緑と黒い点はSVDのヒット位置。四角はTAに
よるヒット(TAヒットは128ストリップの
ORになっている)。
TA
30000
electrons
discriminator の閾値
分布
TAヒット情報を使ったトリガーロジックを開発中。
Max. processing speed (Hz)
データ収集システムの性能
PC12台(2.4GHz Xeon
dual CPU)を使用。
PC上でsparsification(ヒッ
トしたストリップデータ
のみを拾う)を行う。
処理速度は5%オキュパ
ンシーで約1.3kHz。
デットタイムは5%以下。
occupancy
オキュパンシー:検出器のスト
リップのヒット数の割合。
ヒットしたストリップ:S/Nが4
以上のストリップ。
実際のビーム状況では
3%オキュパンシーで
約300~400Hzの
トリガー頻度。
CPの破れ
B0 → fCP
+
B0 → B0 →
f CP
( B (Dt )  f )  ( B
0
≠
0
(Dt )  f CP
B0 →
fCP +
B0 → B0 →
f) CP
 S sin(Dmd Dt )  A cos(Dmd Dt )
( B (Dt )  f CP )  ( B (Dt )  f CP )
Dz
Dt 
c 
S はB0とB0の混合に起因するCPの破れ
ACP
A
CP
0
0
 = 0.425
はB0とB0の間の直接的CPの破れ
標準模型では、CPの破れはCKM行列によって説明される。
   / 2

A (   i ) 

Wolfenstein 

2

  / 2
A


表示
 A (1    i )  A2






*
ub
Vud V
f2
f3
Vtd Vtb*
f1
Vcd Vcb*
SVD1を用いたCPの破れの測定結果(1)
b→ccs
140fb-1 のデータ
(2003年夏まで)
S   fCP sin 2f1
 f : CP固有値
CP
sin2f1 =
0.733±0.057(stat.)±0.028(syst.)
|  |2 1
A
|  |2 1
||=1.007±0.041(stat.)
直接的CPの破れが無いことと矛
盾していない。
preliminary
sin2f1は8%程度の精度で測定。
→SVD2の性能評価、他のモー
ド(b→sss)との比較の良い基準。
SVD1を用いたCPの破れの測定結果(2)
b→sss
b→sqq
140fb-1 SMではループダイアグラムのみ寄与。
→新物理の兆候を検知しやすい。
B→fKS
S(=sin2f)−0.96±0.50 +0.09
−0.11
b→ccsで測定されたsin2f1と
3.5s 離れている。
→新物理の兆候?さらなる統計が必要
A=−0.15±0.29±0.07
preliminary
B→KKKS
S0.5±0.26±0.05 +0.18
−0.00
A−0.7±0.16±0.04
B→'KS
S0.4±0.27±0.05
A−0.0±0.16±0.04
SVD1を用いたCPの破れの測定結果(3)
B→p+p−
140fb-1 (1529events, including B.G.)
App =
+0.58±0.15±0.07
Spp =
−1.00±0.21±0.07
0.86 < LR  1.0
CP の破れ:有意差5.2s
直接的CPの破れ:
有意差3.2s
preliminary
SVD2での物理の展望
• 2003年秋から2004年夏までにSVD2で、約150fb-1のデータが
貯まると予想される。
– 位置分解能、位置決定効率がそれぞれ約10%程度あがる。
– SVD2で1年で貯めたデータはSVD1で4年間貯めたデータと
同程度となる。
– 両方のデータの和をとると、統計エラーが~1/√2に減る。
• ただし、バックグランドに大きく依存するが。。。
– b→ccsでのsin2f1のエラーは5,6%になる。
– B→fKSでのSのエラーは30%程度に減少
• 中心値が変わらないとすると、Sの差は約5sに上昇。
– B→p+p−のCPの破れはSVD1で発見された。
• 今後は直接的CPの破れを測定することが重要。
• 中心値があまり変わらないとすると4s程度の有意差で検
出。
まとめ
• KEKB加速器は世界最高のルミノシティー強度でBelle実
験に億単位の大量のB中間子を供給している。
• 2003年夏にSVDがアップグレードされた。
– 放射線耐性、位置決定の精度と効率、データ処理能力の向上。
– トリガー機能の導入。
• SVD2は2003年秋から順調にデータを貯めつつある。
– 2004年夏のKEKBシャットダウンまでには150fb-1データが貯ま
ると見込まれている。
• SVD1は4年間順調に作動し、140fb-1のデータから数々
の重要な物理結果を我々に与えてくれた。
– b→ccsモードを用いたsin2f1の精密測定。
– B→fKSモードでのSの測定。
– B→p+p−モードでのCPの破れの発見。
• 2004年夏までのSVD2のデータに乞う、ご期待。
backup slides
DSSD
L1~L3
P(z)
size(mm)
N(φ)
79.2x28.4
Strip
pitch
75µm
50µm
# of strip
1024
512
Strip
width
50µm
10µm
L4
P(z)
76.4x34.9
73µm 65µm
1024
strip
pitch
read-out
pitch
# of
channels
r-f
25mm
50mm
640
z
42mm
84mm
640
512
55µm 12µm
SVD2のDSSDの仕様
SVD1のDSSDの仕様
N(φ)
SVD1
Layer Radius
(mm)
1
30.0
2
45.5
3
60.5
Length Ladders DSSDs
(mm) per layer per ladder
112.5
8
2
10
3
168.5
14
4
224.5
Total coverage :
23°< q < 139°in polar
angle.
Total # of channels: 81920
Beam pipe radius: 15.0mm
SVD2
Layer Radius
(mm)
1
20.0
2
43.5
3
70.0
4
88.0
Beam pipe radius: 20.0mm
Length Ladders DSSDs
(mm) per layer per ladder
156.5
6
2(1+1)
12
3(1+2)
236.2
18
5(2+3)
395.6
18
6(3+3)
457.8
Total coverage :
17°< q < 150°in polar
angle
(matching with CDC)
# of read-out channels:
110592
0.86 < LR  1.0
LR
p+p- : 231.4
Kp : 83.3
qq : 168.3
total : 483
r
LR  0.86
1529 candidates (801 B0- and 728 B0-tags)
containing (372  ) pp signal events
History of App and Spp
Belle
This result
Belle 140fb1
BaBar
Feldman-Cousins Analysis
1) Observation of CP violation
(5.2s)
2) Evidence for direct CP violation
3.2s
App
for App=0 and any Spp
3.3s
Spp
for “superweak” case
2911(CP) +174 events
140 fb-1 , 152 x 106 BB pairs
2332(CP) events
PB* distribution
(81% CP=+1)
5417 events used in Fit
Nsig(fKS)=68(64%)
106
ev
Nsig(KKKS)= 199(55%)
361
ev
CP=even 103  16%
Nsig(’KS)=244(58%)
421
ev
p p 
B0→f KS
KK
p p 
B0KKKS
(KK f)
p p 
B0’KS
pp,

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