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貝爾實驗合作團隊的識別標誌

貝爾實驗Belle experiment)為世界上兩大B介子工廠之一,是一個國際合作的實驗計畫,使用日本高能加速器研究機構KEKB加速器來進行CP對稱性破壞的研究。 貝爾實驗的名稱Belle由來,乃是因為此實驗的研究需要產生大量的B介子,而產生的來源是由電子electron)與正電子(電子的鏡像反粒子el)對撞生成的。

參與此實驗的研究團隊包含有來自17個國家,超過400位物理學家與技術人員所組成的。


歷年發表的重要成果编辑

  • 2008年8月5日:發現三種新的介子。[1]
  • 2007年11月9日:再觀測到新型態的介子。[2]
  • 2007年8月13日:觀測到中性D介子混合震盪英语Neutral particle oscillation現象。[3]
  • 2007年3月2日:B介子衰變所顯現出來的量子力學效應,量子纏結現象的實證。[4]
  • 2006年7月31日:觀測到伴隨微中子B介子衰變過程。[5]
  • 2005年6月30日:觀測到新型態B介子衰變過程: 轉移(transition)。[6]
  • 2005年3月1日:繼續發現新粒子:量子色動力學的新發展。[7]
  • 2004年8月20日:逐步闡明CP對稱性破壞的現象。[8]
  • 2003年11月14日:觀測到新型態的介子[9]
  • 2003年8月20日:實驗結果顯示新物理的徵兆。[10]

貝爾實驗相關的物理编辑

貝爾實驗的研究包含了多樣化的物理過程。在之前所發表的期刊論文中,有著以下幾個重要的研究方向:

  • B介子衰變中關於CP對稱性破壞之研究
關於解釋CP破壞小林-益川模型進行精密量測的檢驗。
直接CP不守恆最早是在K介子的衰變系統下發現的,貝爾實驗於2001年觀測到首次不屬於K介子系統的間接CP不守恆。之後Belle實驗也在B介子系統下,觀測到直接CP不守恆的現象:
  •  (2004年)
  •  (2004年)
貝爾實驗也透過 這個衰變過程的達利茲(Dalitz)圖分析,量測了卡比博-小林-益川三角 角。
同時關於卡比博-小林-益川矩陣矩陣元素大小,也是眾多研究課題之一。
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  • B介子稀有衰變的研究
B介子衰變的過程中,間接偵測到可能的新型基本粒子的研究。貝爾實驗觀測到以下的幾個稀有衰變過程:
  •  
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貝爾實驗也觀測到 跨兩個夸克世代的稀有衰變。(CKM矩陣的陣列元素即衰變強度,每跨一個世代會有 倍的抑制)
  • B介子以外的D介子、以及τ輕子衰變的研究
B介子工廠大量的B介子衰變過程中,相關基本粒子衰變的詳細研究。
貝爾實驗觀測到 衰變,也發現了稱之為X(3872)的新型基本粒子。
  • 新型態重子的產生之研究
尋找可能由四個夸克所構成的新粒子,以及由五個夸克形成的五夸克粒子。
  • 雙光子產生過程的研究
光子結構函數的研究。

KEKB加速器编辑

凱克畢加速器(KEKB,即位於KEKB介子工廠)的前身為1986年完成的崔斯特(TRISTANトリスタン 原意為Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon,即日本可轉移對撞型儲存環加速器)對撞型加速器。此乃日本文部省高能物理學研究所耗資870億日圓,費時五年所開發的環形對撞加速器,主要目標之一在於尋找頂夸克。但一如特里斯坦与伊索尔德悲劇般,頂夸克的質量遠大於原先理論學家的預期,超過此加速器的原始設計,最後才在美國費米實驗室的加速器中發現。KEKB沿用了原先崔斯特加速器的地下隧道,耗資380億日圓進行偏轉聚焦磁鐵、束流管與超導高頻加速空腔(Cavity)的升級改裝工作,並於1998年完成開始運轉。KEKB是一個以8.0 GeV能量的電子束與3.5 GeV的正子束對撞的非對稱型加速器,由磁鐵與加速空腔包覆的兩個週長3公里的儲存環組成。在其非對稱式對撞能量的設計下,所產生的B介子對具有0.425羅倫茲推升(boost),使得B介子衰變時間相關的實驗量測成為可能。在最近的一次升級計畫中,KEKB加入了蟹形加速空腔英语Crab Cavity,希望能進一步提昇亮度但未如預期,因此仍在校調當中。KEKB仍是目前(2009年6月)世界上,亮度最高的加速器,最新的世界紀錄為 ,蓄積亮度超過950/fb。Belle實驗在KEKB加速器,紀錄了相當於超過六百多萬個在對撞點產生的B介子對。

Belle實驗大多數的數據,是在KEKB加速器於Upsilon介子4S共振態下所擷取的,Upsilon的此共振態幾乎會完全衰變為一對B介子。為了背景事例分析,與特殊實驗目的的需要,KEKB也可以在偏離4S共振態下運作。其中於Upsilon 3S共振態提供了暗物質希格斯玻色子相關的研究,而Upsilon 5S共振態的數據則可以進行B_s粒子對(由反b夸克與s夸克所組成粒子與反粒子)的衰變分析。

貝爾偵測器编辑

 
貝爾偵測器

貝爾偵測器位於KEKB加速器圓環束流管上的一個對撞點,其所在的實驗大樓稱作是筑波實驗室,為一上兩層樓、地下四層樓的建築。該偵測器的大小約為8m x 8m x 8m(即約三層樓高的立方體),重量約為1,500公噸,紀錄電子與正子對撞後,各式各樣的物理反應過程。

貝爾偵測器是一個通用型的偵測器,包含了以下數個子偵測器:(依序由中心到最外層)

  • 前置量能器(Extreme Forward Calorimeter)
  • 矽頂點偵測器(Silicon Vertex Detector)
  • 中央漂移室(Central Drift Chamber)
  • 契忍可夫計數器(Aerogel Cherenkov Counter)
  • 飛時計數器(Time of Flight)
  • 碘化銫(CsI)電磁量能器(Electromagnetic CaLorimeter)
  • K介子緲子偵測器(K Long and Muon Detector)

經由這些子偵測器,在對撞點所產生的粒子衰變資訊,將巨細靡遺地被紀錄下來。其中,由SVD與CDC可以得知帶電粒子的軌跡進而推算出其動量,而量能器則可以量測電子與光子的能量,最外層的KLM可以作為緲子鑑別器。貝爾偵測器有一項特別的偵測器,是使用了契忍可夫輻射Cerenkov Radiation)的原理,以氣凝膠構成的偵測器,可以通過Pi介子K介子發光的有無,判定以數十億電子伏特高速通過的粒子種類。而其他B介子工廠所沒有的前置量能器,則提供了即時的加速器亮度資訊。

貝爾實驗識別標誌编辑

貝爾實驗團隊的識別標誌,是由一個黃色的字母B在藍色的背景上所構成的。此乃因為貝爾實驗的研究對象是B介子的衰變。而這個字母B實際上是由一個字母e與另一個鏡像的e組成的,這是代表了KEKB加速器是以電子正子(電子的反粒子)對撞,來產生B介子的。而下方的BELLE是Belle實驗的英文名稱,但是其實正確的寫法應該是Belle而不是全部大寫字母的BELLE。另一個可以注意的是,這個字母B所構成的兩個字母e的大小不同,是代表了KEKB加速器的非對稱式能量設計。但是,實際上KEKB加速器內對撞的電子能量較高(8 GeV),而正子能量較低(3.5 GeV),剛好與組成字母B的兩個正反字母e大小相反。

B-Lab编辑

B-Lab(ビー・ラボ)是一個讓一般高中生參與,了解物理學家如何發現新粒子為目的的科學營活動。參加B-Lab活動的高中生,由高能加速器研究機構的研究人員指導,使用一小部份Belle實驗的真實數據,來進行數據分析的工作。如果真的因此發現了新粒子,參加活動的學生,將可以留名在Belle實驗的偵測器上。(不過目前還沒有同學有發現未知粒子)為了讓參加的高中生能夠更快地進入狀況,數據分析的工具不同於一般的研究人員使用Linux作業系統下的ROOT或PAW,而是使用Windows版的ROOT英语ROOT程式來進行。

Belle Plus编辑

以高中生為對象,不定期舉辦的基本粒子科學營。目的是讓一般的高中生可以體驗,在Belle實驗進行研究工作的科學家之研究生活。科學營的活動內容包含了有分析軟體撰寫的課程,以及硬體設計製作有關的活動。

諾貝爾物理學獎编辑

2008年十月七日瑞典皇家科學院公佈了2008年諾貝爾物理學獎的得主,其中之一即為前KEK基本粒子原子核研究所長(IPNS, Institute of Particle and Nuclear Studies)小林誠。同時,皇家科學院也強調了貝爾實驗在於其有關CP破壞的理論驗證上,扮演重要且關鍵的角色。也因此,KEKB加速器與貝爾偵測器於2010年至2013年的升級計劃,得以獲得KEK機構內部的支持,而正式提交給日本政府審核。

未來升級計畫编辑

貝爾實驗團隊,目前正提出Belle II的升級企劃案於日本政府審核中。該計畫將以100倍於目前的加速器亮度,產生更多的B介子,做更精確的物理測量。

參見编辑

參考資料编辑

  1. ^ KEK:プレス(Belle実験の最新の結果について). High Energy Accelerator Research Organization, KEK. 2008 [2015-12-08] (日语). 
  2. ^ KEK:プレス(Belle新種の中間子発見). High Energy Accelerator Research Organization, KEK. 2007 [2015-12-08] (日语). 
  3. ^ KEK:プレス(Belle実験の最新の結果). High Energy Accelerator Research Organization, KEK. 2007 [2015-12-08] (日语). 
  4. ^ KEK:プレス(Belle). High Energy Accelerator Research Organization, KEK. 2007 [2015-12-08] (日语). 
  5. ^ KEK:プレス(Belle実験の最新の結果). High Energy Accelerator Research Organization, KEK. 2006 [2015-12-08] (日语). 
  6. ^ KEK:プレス(Belle実験の最新の結果について). High Energy Accelerator Research Organization, KEK. 2005 [2015-12-08] (日语). 
  7. ^ KEK:プレス(Belle実験が新粒子を次々と発見). High Energy Accelerator Research Organization, KEK. 2005 [2015-12-08] (日语). 
  8. ^ KEK:プレス(Belle実験の最新の結果について). High Energy Accelerator Research Organization, KEK. 2004 [2015-12-08] (日语). 
  9. ^ プレス・リリース - Belle04. 2003 [2015-12-08] (日语). 
  10. ^ プレス・リリース - Belle03. 2003 [2015-12-08] (日语). 

外部連結编辑