Esperimento Belle II

Belle II è un esperimento di fisica delle particelle che studia le proprietà dei mesoni B (particelle contenenti un quark bottom) e di altre particelle (mesoni D, leptoni tau). Belle II è il successore dell'esperimento Belle, ed è stato commissionato presso il complesso dell'acceleratore SuperKEKB presso il centro di ricerca KEK a Tsukuba, prefettura di Ibaraki, Giappone. Il rilevatore Belle II è stato installato nel punto di collisione di SuperKEKB nell'aprile 2017. Belle II ha iniziato a raccogliere dati all'inizio del 2018. Nel corso del suo periodo di presa dati, si prevede che Belle II raccoglierà circa 50 volte più dati rispetto al suo predecessore, principalmente grazie all'aumento di 40 volte della luminosità istantanea fornita da SuperKEKB rispetto al precedente acceleratore KEKB.

Programma di fisica

Molte analisi pubblicate dagli esperimenti Belle e BaBar sono statisticamente limitate, ovvero le incertezze legate alla quantità di dati raccolti sono dominanti. Questo fatto è stato la motivazione principale per la pianificazione e costruzione del nuovo esperimento Belle II.

L'obiettivo di Belle II è di raccogliere una quantità di dati di 50.000 fb ⁻¹ rispetto ai 988 fb ⁻¹ (con 711 fb ⁻¹ all'energia corrispondente alla massa della particella Υ(4S) di Belle. Belle II ha accumulato 424 fb ⁻¹ (con 363 fb ⁻¹ alla Υ(4S) ) durante il primo periodo di presa dati dal 2019 al 2022.

Questo nuovo set di dati potrebbe permettere lo studio di processi fisici rari, che erano fuori dalla portata dei precedenti esperimenti e migliorare la precisione dei processi già misurati.

Il programma di fisica di Belle II comprende lo studio delle seguenti particelle o processi:

Mesone B
Mesone D
Bottomonio
Charmonium
Leptone Tau
Materia oscura
Processi a bassa molteplicità

La maggior parte dei dati di Belle II verrà registrata all'energia del centro di massa della particella Upsilon(4S), mentre una piccola parte verrà acquisita alla massa della Upsilon(5S).

Composizione del rivelatore

Belle II è un rivelatore di particelle ad alta energia con una copertura quasi completa dell'angolo solido. Ha una forma cilindrica per coprire le collisioni elettroni (e^-)-positroni (e⁺) che si verificano sull'asse centrale del rivelatore. Il rivelatore è asimmetrico nella direzione del fascio, poiché l'energia iniziale del fascio di elettroni è maggiore di quella del fascio di positroni. Gran parte del rivelatore originale Belle è stato aggiornato per far fronte alla maggiore luminosità istantanea fornita dall'acceleratore SuperKEKB.

I componenti principali sono i seguenti, dal sistema più interno a quello più esterno:

Tubo del fascio di berillio con raggio minimo di 10 mm dal fascio
Il rilevatore PiXel (PXD) è composto da due strati cilindrici di pixel a transistor ad effetto di campo impoverito (DEPFET), che forniscono una misurazione precisa delle traiettorie delle particelle cariche prodotte nel punto di collisione. Il primo strato si trova a soli 14 mm di distanza dal fascio. Finora sono state installate solo due moduli del secondo strato del PXD.
Silicon Vertex Detector (SVD) - 8 strati di sensori a strisce di silicio disposti in un cilindro cilindrico e un'estremità inclinata verso la direzione degli elettroni per una migliore copertura. I rivelatori SVD e PXD sono talvolta indicati come VerteX Detector (VXD). La dimensione totale del VXD è stata ottimizzata per coprire la maggior parte delle distanze di decadimento tipiche delle particelle $K_{S}^{0}$ .
La camera a deriva centrale (CDC) è un sistema di tracciamento centrale a camera a fili, che fornisce la misurazione della quantità di moto e della carica delle particelle cariche prodotte dalle collisioni, nonché l'identificazione del tipo di particella (PID) tramite i rispettivi depositi di energia.
Il rivelatore Cherenkov ad anello di aerogel (aRICH) fornisce informazioni PID sulla particella carica che viaggia nella direzione in avanti.
Contatore del tempo di propagazione (TOP) costituito da barre di quarzo che utilizzano fotoni Cherenkov riflessi totalmente internamente e misurano il tempo di propagazione, che viene utilizzato per PID.
Calorimetro elettromagnetico (ECL) una matrice altamente segmentata di cristalli di ioduro di cesio drogati con tallio CsI ( Tl ) assemblati in una geometria proiettiva per misurare le energie delle particelle neutre come i fotoni, $K_{L}^{0}$ e neutroni, così come PID.
Solenoide superconduttore, che fornisce un campo magnetico da 1,5 tesla, che curva le traiettorie delle particelle cariche per misurarne la carica e la quantità di moto.
$K_{L}^{0}$ e il rivelatore di muoni (KLM) utilizzato per identificare i $K_{L}^{0}$ tramite i loro depositi di energia e per PID dei muoni.

Cronologia

La raccolta dati dell'esperimento Belle II è suddivisa in tre fasi:

Fase I — completata tra febbraio e giugno 2016: messa in servizio di SuperKEKB per caratterizzare l'ambiente del fascio;
Fase II — iniziata all'inizio del 2018, senza il rivelatore VXD, per misurare la radiazione di fondo indotta dal fascio nel sistema di tracciamento più interno. Durante questa fase, il sottorivelatore VXD è stato sostituito dal sistema "Beam Exorcism per un esperimento stabile II", BEAST II, utilizzato per testare diverse tecnologie di tracciamento e una luminosità integrata totale di 500 pb. $^{- 1}$ è stata raccolta;
Fase III — iniziata nel 2019: acquisizione dati con il rivelatore Belle II completo;

Il 22 novembre 2018, il rivelatore Belle II è stato completato con l'installazione del VerteX Detector (VXD). Il 25 marzo 2019, sono state rilevate le prime collisioni del programma di fisica vero e proprio.

Il 15 giugno 2020, il SuperKEKB ha raggiunto una luminosità istantanea di 2.22 × 10³⁴ cm⁻²s⁻¹ — superando il record dell'LHC di 2.14 × 10³⁴ cm⁻²s⁻¹ ottenuto con collisioni protone-protone nel 2018. Pochi giorni dopo, SuperKEKB ha spinto il record di luminosità a 2.4 × 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Nel giugno 2022 il record di luminosità è quasi raddoppiato a 4.7 × 10³⁴ cm⁻²s⁻¹.

Personale scientifico

L'esperimento Belle II è gestito dalla Collaborazione Belle II, che è una comunità scientifica internazionale.

La Collaborazione Belle II ha progettato, prodotto, e assemblato il rivelatore Belle II, gestisce i dati delle collisioni registrati durante l'esperimento, esegue l'analisi dei dati e fornisce i risultati sotto forma di articoli su riviste scientifiche, interventi a conferenze, ecc.

Al 5 ottobre 2023, comprendeva 1.174 membri provenienti da 124 istituti e 27 paesi in tutto il mondo.

Software sperimentale

Nell'ottobre 2021 il team di sviluppo software all'interno della Collaborazione Belle II ha pubblicato il Belle II Analysis Software Framework o basf2, come software open source su GitHub.

Questo è il pacchetto principale utilizzato per simulare, ricostruire e analizzare gli eventi di collisione registrati nell'esperimento Belle II; esistono inoltre diversi altri pacchetti satellitari separati, utilizzati per l'acquisizione dati, il calcolo delle incertezze sistematiche, ecc.

Il backend delle librerie di ricostruzione e analisi è scritto in C++, mentre il codice di analisi e le interfacce sono implementati nel linguaggio Python .

Per coordinare lo sviluppo del software, la collaborazione Belle II utilizza strumenti di collaborazione industriale come Atlassian Jira, Confluence e il servizio BitBucket basato su git.