Belle (эксперимент)

Belle — ускорительный эксперимент в области физики высоких энергий, выполнявшийся коллаборацией Belle, международным научным коллективом из более чем 400 физиков и инженеров, в Исследовательской организации ускорителей высоких энергий (KEK) в городе Цукуба, префектура Ибараки, Япония. Эксперимент проводился с 1999 по 2010 год^[1].

Детектор Belle находился в точке столкновения ускорительного комплекса KEKB — электрон-позитронного коллайдера асимметричной энергии. Belle в KEKB вместе с экспериментом BaBar на ускорителе PEP-II в SLAC были известны как B-фабрики, поскольку они сталкивали электроны с позитронами при энергии в центре инерции, равной массе Y(4S)-резонанса, который распадается на пары B-мезонов.

Детектор Belle представлял собой герметичный многослойный детектор частиц с большим телесным углом охвата, позиционированием вершин с точностью порядка десятков микрометров (обеспечивается кремниевым вершинным детектором), хорошей различающей способностью между пионами и каонами в диапазоне импульсов от 100 МэВ/c до нескольких ГэВ/c (обеспечивается черенковским детектором) и электромагнитным калориметром (на основе сцинтилляционных кристаллов CsI(Tl)), обеспечивающим точность измерения энергий до нескольких процентов

Belle II — модернизация Belle, которая была одобрена в июне 2010 года^[2]. Он был введён в эксплуатацию в начале 2018 года^[3][4]. Belle II находится в SuperKEKB (модернизированный ускоритель KEKB), который призван обеспечить в 40 раз бо́льшую интегральную светимость.

Эксперимент Belle был мотивирован поиском CP-нарушения в системе нейтральных B-мезонов^[5]. Однако в ходе эксперимента также проводились обширные исследования редких распадов, поиски экзотических частиц и точные измерения свойств D-мезонов и тау-лептонов^[1]. Результаты эксперимента опубликованы в примерно 300 статьях в реферируемых журналах.

Основные результаты эксперимента Belle включают в себя:

• наблюдение большого CP-нарушения в системе нейтральных B-мезонов^[6];
• измерение коэффициента ветвления для инклюзивных распадов ${\displaystyle B\to X_{s}\gamma }$^[7];
• наблюдение перехода ${\displaystyle b\to sl^{+}l^{-}}$ с использованием распадов ${\displaystyle B\to Kl^{+}l^{-}}$^[8] и ${\displaystyle B\to K^{*}l^{+}l^{-}}$^[9];
• измерение ${\displaystyle \phi _{3}}$ с использованием диаграммы Далитца для распадов ${\displaystyle B\to DK,D\to K_{S}\pi ^{+}\pi ^{-}}$^[1];
• измерение элементов CKM-матрицы смешивания кварков ${\displaystyle |V_{ub}|}$ и ${\displaystyle |V_{cb}|}$;
• наблюдение прямого СР-нарушения в распадах ${\displaystyle B^{0}\to \pi ^{+}\pi ^{-}}$^[10] и ${\displaystyle B^{0}\to K^{-}\pi ^{+}}$^[11];
• наблюдение переходов ${\displaystyle b\to d}$^[12];
• наблюдение чистого лептонного распада ${\displaystyle B\to \tau \nu }$^[13];
• наблюдения ряда новых частиц, включая X(3872)^[14].

Ускоритель KEKB имел на тот момент самую высокую в мире светимость. Большая часть собранных данных относилась к ϒ(4S). Мгновенная светимость превышала 2,11⋅10³⁴ см⁻²·с⁻¹. Интегральная светимость, набранная при энергии, равной массе ϒ(4S), составила около 710 фбн⁻¹ (соответствует 771 миллиону BB-мезонных пар). Около 10 % данных было набрано при энергии ниже резонанса ϒ(4S) для изучения фона. Кроме того, KEKB провёл специальные измерения на ϒ(5S)-резонансе для изучения B
s-мезона, а также на ϒ(1S)-, ϒ(2S)- и ϒ(3S)-резонансах для получения свидетельств существования частиц тёмной материи и бозона Хиггса. Наборы данных на энергиях резонансов ϒ(1S), ϒ(2S) и ϒ(5S), собранные Belle, — самые объёмные в мире.

• B-фабрика
• BB-осцилляции

• Официальный сайт Belle
• Сайт коллаборации Belle II
• Публичный веб-сайт Belle II