ARICH 検出器のアライメント

修士学位論文

Belle II ^実験 Phase II ^{ランにおける}

ARICH ^{検出器のアライメント}

および B → K ^∗ γ ^{崩壊の探索}

指導教授 角野秀一教授

首都大学東京大学院 理工学研究科 博士前期課程

2

17879321

2019/1/10

概要

Belle II

(KEK)

SuperKEKB

7GeV

4GeV

B

子対を大量に生成し、崩壊過程を

Belle II

先行研究である

Belle

B

B

CP

6

SuperKEKB

Belle II

2

KEKB

40

50

4

7

Belle II

(Phase II)

Belle II

Aerogel Ring Imaging CHerenkov

(ARICH)

K

π

ARICH

Hybrid Avalanche Photo-Detector (HAPD)

HAPD

このチェレンコフ光のリングイメージの半径の違いから粒子質量を求めることで、粒子識別を行う。

ARICH

研究では、

ARICH

ARICH

ARICH

その結果、約

1mm

0.1

7%

K/π

7%

Belle II

B → K

γ

b → sγ

本研究では、

Belle II

B → K

γ

B

→ K

γ → K

π

γ、

B

→ K

γ → K

π

γ

B

→ K

γ → K

π

γ

3

Belle II

B

→ K

γ → K

π

γ

4

→ K

γ → K

π

γ

1

BF (B

→ K

γ) = (2.3 ± 2.2 ± 0.3) × 10

(B

→ K

γ) = (4.1 ± 6.7 ± 2.0) × 10

B

目 次

第

1

11

1.1 B

. . . . 12

1.1.1

. . . . 12

1.1.2 CP

. . . . 12

1.1.3 B

. . . . 14

1.2 Belle

Belle II

. . . . 15

1.3

. . . . 16

第

2

Belle II

18 2.1 SuperKEKB

. . . . 18

2.2 Belle II

. . . . 20

2.3 Belle II

. . . . 24

2.4 Belle II

. . . . 26

第

3

ARICH

27 3.1 ARICH

. . . . 27

3.1.1

. . . . 27

3.1.2 ARICH

. . . . 28

3.2 ARICH

. . . . 30

3.2.1

. . . . 30

3.2.2

HAPD . . . . 31

3.3 ARICH

. . . . 32

第

4

ARICH

33 4.1

. . . . 33

4.2 ARICH

. . . . 35

4.2.1 µ

ARICH

. . . . 38

4.2.2 e

e

→ e

e

ARICH

40

4.2.3 e

e

→ e

e

ARICH

43

4.3 ARICH

. . . . 46

第

5

ARICH

48

5.1

. . . . 48

5.2

. . . . 50

5.3

. . . . 54

第

6

B

B → K

γ 56 6.1 K

γ

. . . . 56

6.2

(最初の発見と Belle, Babar

. . . . 57

6.3

. . . . 58

第

7

B → K

γ

59 7.1

. . . . 62

7.2 FastBDT

e

e

→ qq

. . . . 70

7.3 Best Candidate Selection . . . . 77

7.4 K

K/π

. . . . 77

7.4.1 D

K

. . . . 77

7.4.2

. . . . 78

7.4.3

. . . . 79

7.5 B

→ K

γ → K

π

γ

. . . . 84

7.5.1 K

cos dϕ

. . . . 85

7.5.2 Likelihood . . . . 86

7.5.3 BestCandidateSelection . . . . 88

第

8

B → K

γ

89 8.1

. . . . 89

8.2

M

. . . . 94

第

9

B → K

γ

100 9.1

. . . . 100

9.2 M

∆E

. . . . 102

9.3

. . . . 106

9.4

. . . . 107

9.4.1 K/π PID

. . . . 107

9.4.2 γ

. . . . 107

9.4.3 K

. . . . 108

9.4.4 BDT、LR

e

e

→ q¯ q

. . . . . 108

9.4.5 Mbc

. . . . 109

9.4.6

. . . . 110

9.4.7

. . . . 110 9.5

. . . . 110

第

10

112

図 目 次

1.1

(KEK)

KEK . . . . 11

1.2

[1] . . . . 12

1.3

. . . . 13

1.4

. . . . 14

1.5 B

− B

[7] . . . . 15

1.6

. . . . 16

2.1 superKEKB

. . . . 18

2.2

. . . . 19

2.3 Belle II

. . . . 20

2.4 PVD

SVD

. . . . 21

2.5

. . . . 22

2.6 TOP

. . . . 23

2.7 TOP

. . . . 23

2.8 ECL

1

. . . . 24

2.9 B → τ ν . . . . 25

2.10

τ

. . . . 26

3.1

. . . . 28

3.2 ARICH

. . . . 29

3.3 K/π

. . . . 29

3.4

. . . . 30

3.5 (左)

(n

< n

) . . . . 30

3.6

HAPD . . . . 31

3.7

HAPD

. . . . 32

3.8 APD

. . . . 32

3.9 B → ππ

π

. . . . 32

4.1 (左)ARICH

. . . . 33

4.2

. . . . 34

4.3 ARICH

n cos θ

ϕ

. . . . 35

4.4 ARICH

. . . . 36

4.5 36

ARICH . . . . 37

4.6 (

)ARICH

x

y

z

(

)ARICH

x

y

z

. . . . 38

4.7 x

n cos θ

vs ϕ

. . . . 39

4.8 y

n cos θ

vs ϕ

. . . . 39

4.9 x

cos

. . . . 40

4.10 x

5mm

n cos θ

vs ϕ

. . . . 41

4.11 y

5mm

n cos θ

vs ϕ

. . . . 42

4.12 z

5mm

n cos θ

vs ϕ

. . . . 43

4.13 x

1.0

n cos θ

vs ϕ

. . . . 44

4.14 y

1.0

n cos θ

vs ϕ

. . . . 45

4.15 z

0.5

n cos θ

vs ϕ

. . . . 46

5.1 Prod5

n cos θ

. . . . 48

5.2 Prod5

n cos θ

vs ϕ

. . . . 49

5.3 36

Prod5

n cos θ

vs ϕ

. . . . 50

5.4 36

Prod5

n cos θ

vs ϕ

. . . . 51

5.5 Phase II

ARICH

. . . . 52

5.6 n cos θ

vs ϕ

(上)

. . . . 53

5.7

θ

. . . . 54

5.8

θ

. . . . 54

5.9

ARICH

. . . . 55

6.1

. . . . 57

7.1 E

/E

:(赤)

. . . . 63

7.2 21

Wikipedia . . . . 64

7.3 IP

2

. . . . 64

7.4 ZernikeMVA:(赤)

. . . . 65

7.5 π

. . . . 66

7.6 ZernikeMVA

Significance . . . . 67

7.7

:(

)

(

)

. . . . 68

7.8 qq

BB

. . . . 70

7.9 Υ(4S)

. . . . 73

7.10 cos θ

74

7.11

BDT

. . . . 75

7.13 B

→ K

γ → K

π

γ

Figure of merit

. . . . 76

7.14 B

→ K

γ → K

π

γ

Figure of merit

. . . . 76

7.15 D

D

. . . . 80

7.16 (

)MC

K

(

)

K

(

)MC

π

Fake rate、 (右下)

π

Fake rate . . . . 82

7.17 K/π PID

significance . . . . 83

7.18 K/π PID

significance、0 ∼ 0.01 . . . . 84

7.19 K

. . . . 85

7.20 cos dϕ

Significance . . . . 86

7.21 B

→ K

γ → K

π

γ

Figure of merit

. . . . 87

8.1 B

→ K

γ → K

π

γ

M

. . . . 89

8.2 B

→ K

γ → K

π

γ

∆E . . . . 89

8.3 B

→ K

γ → K

π

γ

M

vs ∆E . . . . 90

8.4 B

→ K

γ → K

π

γ

M

. . . . 91

8.5 B

→ K

γ → K

π

γ

∆E . . . . 91

8.6 B

→ K

γ → K

π

γ

M

vs ∆E . . . . 91

8.7 B

→ K

γ → K

π

γ

M

. . . . 92

8.8 B

→ K

γ → K

π

γ

∆E . . . . 92

8.9 B

→ K

γ → K

π

γ

M

vs ∆E . . . . 93

8.10 B

→ K

γ → K

π

γ signalMC

M

. . . . 95

8.11 B

→ K

γ → K

π

γ signalMC

∆E

. . . . 95

8.12 B

→ K

γ → K

π

γ

qq

M

. . . . 95

8.13 B

→ K

γ → K

π

γ

qq

∆E

. . . . 95

8.14 B

→ K

γ → K

π

γ signalMC

M

. . . . 96

8.15 B

→ K

γ → K

π

γ signalMC

∆E

. . . . 96

8.16 B

→ K

γ → K

π

γ

qq

M

. . . . 97

8.17 B

→ K

γ → K

π

γ

qq

∆E

. . . . 97

8.18 B

→ K

γ → K

π

γ signalMC

M

. . . . 98

8.19 B

→ K

γ → K

π

γ signalMC

∆E

. . . . 98

8.20 B

→ K

γ → K

π

γ

qq

M

. . . . 98

8.21 B

→ K

γ → K

π

γ

qq

∆E

. . . . 98

9.1 B

→ K

γ → K

π

γ

M

vs ∆E . . . . 100

9.2 B

→ K

γ → K

π

γ

M

vs ∆E . . . . 101

9.3 B

→ K

γ → K

π

γ

M

vs ∆E . . . . 102

9.4 B

→ K

γ → K

π

γ

M

. . . . 103

0

→

→

9.6 B

→ K

γ → K

π

γ

M

. . . . 105 9.7 B

→ K

γ → K

π

γ

∆E . . . . 106 9.8 BDT>0.66

B

→ K

γ → K

π

γ

M

vs ∆E . . . . 109 9.9

Significance

:B

→ K

γ → K

π

γ

:B

→ K

γ →

K

π

γ、緑:B

→ K

γ → K

π

γ . . . . 111

表 目 次

2.1 KEKB

superKEKB

. . . . 19

5.1 ARICH

(アライメントフィットの結果) . . . . 51

5.2

. . . . 54

5.3 MC

. . . . 54

7.1 B

→ K

γ → K

π

γ

. . . . 60

7.2 B

→ K

γ → K

π

γ

. . . . 61

7.3 B

→ K

γ → K

π

γ

. . . . 62

7.4 π

→ γγ

. . . . 66

7.5 CleoCones

. . . . 75

7.6 D

→ D

π

→ K

π

π

. . . . 78

7.7 K/π ID>0.001

K

K

efficiency . . . . 79

7.8 K/π ID>0.001

K

π

fake rate . . . . 79

8.1 B

→ K

γ → K

π

γ

MC

. . . . 90

8.2 B

→ K

γ → K

π

γ

MC

. . . . 92

8.3 B

→ K

γ → K

π

γ

MC

. . . . 93

8.4 B

→ K

γ → K

π

γ

. . . . 96

8.5 B

→ K

γ → K

π

γ

. . . . 97

8.6 B

→ K

γ → K

π

γ

. . . . 99

9.1

B

→ K

γ → K

π

γ

. . . . 101

9.2

B

→ K

γ → K

π

γ

. . . . 102

9.3

. . . . 110

第 1 ^{章 序論}

1999

2010

(KEK)(図 1.1)

Belle

KEKB

衝突させて大量の

B

B

Belle

B

CP

Belle

B

CP

2010

6

superKEKB

Belle II

Belle

50

4

7

Belle II

B

Belle

図

1.1:

(KEK)

KEK

1.1 B

1.1.1

標準模型は、小林益川機構の証明やヒッグス機構の証明により、今日において確立された素粒子 の標準理論である。図

1.2

(u, d, c, s, t, b)

(e

µ、ミューニュートリノ、 τ、タウニュー

3

図

1.2:

[1]

1.1.2 CP

C

3

CP

J.W.Cronin、V.L.Fitch

1964

K

[2]

1973

3

W

CP

(d

, s

, b

)

(CKM

1.1)

CP

[3]。第 3

1，2

B

子系において大きな

CP

[4]。B

CP

Belle



  d

s

b



  =



 

V

V

V

V

V

V

V

V

V



 



  d s b



  (1.1)

ここで

CKM

3

θ

, θ

, θ

CP

δ

(

1.2)

c

= cos θ

, s

= sin θ



 

V

V

V

V

V

V

V

V

V



  =



 

c

c

s

c

s

e

− s

c

− c

s

s

e

c

c

− s

s

s

e

s

c

s

s

− c

c

s

e

− s

c

− s

c

s

e

c

c



  (1.2)

また

λ = sin θ

, Aλ

= sin θ

, Aλ

(ρ − iη) = sin θ

e

1.3

[5]。



 

V

V

V

V

V

V

V

V

V



  =



 

1 −

λ Aλ

(ρ − iη)

− λ 1 −

Aλ

Aλ

(1 − ρ − iη) − Aλ

1



  (1.3)

標準模型は

3

CKM

1.4

ρ − η

1.3

V

V

+ V

V

+ V

V

= 0 (1.4)

ユニタリー三角形の角度

ϕ

, ϕ

, ϕ

0

180

3

CP

CP

ϕ

̸ = 0

[6]

1.1.3 B

Belle

Belle II実験では衝突した非対称エネルギーを持った電子と陽電子が質量 10.58GeV/c

の

Υ(4S)

B

図

1.4

図

1.4:

B

B

1.5

B

B

B

B

B

1.4

B

B

→ D

π

B

B

図

1.5: B

− B

[7]

同じ終状態

f

(もう片側の B

B

CP

(

1.5)

A

(∆t) = Γ(B

(∆t) → f

) − Γ(B

(∆t) → f

)

Γ(B

(∆t) → f

) + Γ(B

(∆t) → f

) (1.5)

1.2 Belle

Belle II

Belle

(KEK)

KEKB

速器を用いて

8GeV

3.5GeV

B

Belle

B

βγ =

=

= 0.425、寿命約 1.5ps

βγcτ = 0.425 × 300µm/ps × 1.5ps ≃ 200µm

B

B

CP

Belle

2001

る。また

2003

2009

cm

s

2

× 10

cm

s

(図 1.6)。この実験による積分ルミノシティは約 1ab

図

1.6:

標準模型を超える新物理の存在の確実な証拠となるためには統計精度が足りていないが、Belle 実験では

B

B

CP

b → s

CP

[8]

CP

Belle

50

1.3

B

B

K

π

Aerogel Ring Imaging Cherenkov counter (ARICH

Belle II

K

π

[9]。

ARICH

ARICH

また検出器や解析ツールが、Belle II実験の物理解析において最適化されていることを実証する 目的と物理モード

B → K

γ

4

7

Belle

B → K

γ

第 2 ^章 Belle II ^実験

Belle II

B

τ

することである。Belle実験で蓄積されたデータの

50

50ab

2.1 SuperKEKB

SuperKEKB

(

2.1)

Belle

KEKB

KEKB

2

3.6A、電子ビー

2.6A

KEKB

40

3km

図

2.1: superKEKB

ビームサイズを極端に絞る副作用として、正面衝突や小角度交差衝突方式において生じる砂時計 効果という衝突部分の両側でビームが膨らむ現象が問題になる。この影響を減らすため、世界で初め てナノビーム大角度交差衝突方式

(図 2.2)

5

細く薄いバンチである。各バンチの中には電子、陽電子が約

600 ∼ 900

1500 ∼ 2500

図

2.2:

KEKB

3

superKEKB

4GeV、電子のエネルギーを 7GeV

Υ(4S)

10.58GeV

表

2.1

KEKB

superKEKB

表

2.1: KEKB

superKEKB

パラメータ

KEKB

superKEKB

[GeV/c](LER/HER) 3.5/8.0 4.0/7.0

ξ

0.129/0.090 0.090/0.088

β

[mm] 5.9/5.9 0.27/0.30

I

[A] 1.64/1.19 3.60/2.62

L [10

cm

s

] 2.11 80

ここで

LER

HER

low-energy-ring、電子を加速させる high- energy-ring

ξ

β

[mm]

y

β

I

±

+

L [10

cm

s

]

R[s

]

L [cm

s

]

σ[cm

]

(式 2.1)

R[s

] = L [cm

s

] × σ[cm

] (2.1)

L [cm

s

] ∝ I

[A]ξ

β

[mm] (2.2)

式

2.2

I

[A]

β

[mm]

L [cm

s

]

2.2 Belle II

Belle II

B

τ

計された

4π

(図 2.3)

6

図

2.3: Belle II

PXD, SVD

PVD(PXD(Pixel Detector))

SVD(Silicon Vertex Detector)

B

2

PXD

4

SVD

6

2.4

B

B

DSSD(Double-Sided Silicon Detector)

µm

図

2.4: PVD

SVD

SVD

88.0mm、最長 662mm

Belle

SVD

Belle

SVD

20%

Belle

23

< θ < 139

Belle II

17

< θ < 150

[10]

PXD

DEPFET(DEpleted P-channel Field Effect Transistor)

CDC

CDC(Central Drift Chamber)

2.5

e

p、荷電 K/π

CDC

dE/dx

2.5

1GeV/c

p、K、π

図

2.5:

CDC

16cm、外側の半径が 113cm

CDC

30µm

イヤー

14336

126µm

42240

部で

56576

TOP

TOP(Time Of Propagation)

Belle II

K

π

MCP-PMT(Micro-Channel Plate Photo-multipleir tube)

(図 2.6)16

図

2.6: TOP

図

2.7: TOP

荷電

K

π

(Time Of Flight)

ARICH

チェレンコフリングの半径差を用いた粒子識別も行う。このため高い精度で粒子の識別を行うことが できる。TOPは

3 GeV/c

97 %

K/π

ARICH

ARICH(Aerogel Ring Imaging CHerenkov counter)

K

π

4σ

420

HAPD(Hybrid Avalanche Photo Detector)

ARICH

3

ECL

電磁カロリメータ

(Electromagnetic CaLorimeter, ECL)

γ

e

MeV

γ

e

γ

e

e

e

e

γ

ECL

1

2.8

6624

エンドキャップ部に

960