貝爾實驗

貝爾實驗（Belle experiment）為世界上兩大 B 介子工場之一，是一个國際合作的實驗計畫，使用日本高能加速器研究機構的 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，乃是因為按呢實驗的研究需要產生大量的B介子，來產生的來源是由電子（electron）佮正電子（電子的鏡親像反粒子，el）對挵生的。

參與這實驗的研究團隊包括來自十七个國家的超過四百位物理學家佮技術人員。

歷年發表的重要成果

• 二空空八年八月初五：發現三種新的介子。
• 二空空七年十一月九號：閣觀測著新型態的介子。
• 二空空七年八月十三：觀測著中性 D 介子混合震盪現象。
• 二空空七年三月二號：B 介子衰變所顯現出來的大量子力學效應，量仔結合現象的實證。
• 二空空六年七月三十一號：觀測著伴綴微中子的 B 介子衰變過程。
• 二空空五年六月三十號：觀測著新型態 B 介子衰變過程：$ b \ to d $ 轉移（transition）。
• 二空空五年三月一號：繼續發現新粒子：量仔色動力學的新發展。
• 二空空四年八月二十號：行口告明 CP 對稱性破壞的現象。
• 二空空三年十一月十四號：觀測著新型態的介子。
• 二空空三年八月二十號：實驗結果顯示新物理的掉頭。

貝爾實驗相關的物理

貝爾實驗的研究包括多樣化的物理過程。佇進前所發表的期刊論文中，有著以下幾个重要的研究方向：

• B 介子衰變中關於 CP 對稱性破壞之研究

關於著解說 CP 破壞的小林-益川模型進行精密量測的檢驗。

直接 CP 無守恆上早是咧 K 介子的衰變系統下發現的，貝爾實驗佇二空空一年觀測著頭擺無屬於 K 介子系統的間接 CP 無守恆。了後 Belle 實驗嘛佇咧 B 介子系統下，觀測著直接 CP 無守恆的現象：

• $ B ^ { 零 } \ to \ pi ^ { + } \ pi ^ {-} $（二空空四年）
• $ B ^ { 零 } \ to K ^ {-} \ pi ^ { + } $（二空空四年）

貝爾實驗嘛透過 $ B \ to DK , D \ to K _ { S } \ pi ^ { + } \ pi ^ {-} $ 這个衰變過程的達利茲（Dalitz）圖分析，量測了卡比博-小林-益川三角的 $ \ phi _ { 三 } $ 角。

同時關於卡比博-小林-益川矩陣的矩陣元素大細，嘛是眾多研究課題之一。

• $ | V _ { ub } | $
• $ | V _ { cb } | $

• B 介子稀有衰微的研究

B 介子衰變的過程中，間接偵測著可能的新型基本粒仔的研究。貝爾實驗觀測著以下的幾若个稀有衰微過程：

• $ B \ to K ^ { * } l ^ { + } l ^ {-} $
• $ b \ to sl ^ { + } l ^ {-} $

貝爾實驗嘛觀測著 $ b \ to d $ 跨兩个夸克世代的稀罕有衰變。（CKM 矩陣的陣列元素即衰變強度，每一个世代會有 $ \ lambda $ 倍的或制）

• B 介子以外的 D 介子、以及 τ 輕子衰變的研究

B 介子工場大量的 B 介子衰變過程中，相關基本粒仔衰變的詳細研究。

貝爾實驗觀測著 $ B \ to \ tau \ nu $ 衰變，嘛發現講號做 X ( 三千八百七十二 ) 的新型基本粒仔。

• 新型態重子的產生之研究

走揣可能由四个夸克所構成的新粒子，以及由五个夸克形成的五擲克粒仔。

• 雙光子產生過程的研究

光子結構函數的研究。

KEKB 加速器

凱克畢加速器（英語：KEKB，日本語：ケックビー，就位佇咧KEK的B紹介子工場）的前身為一九八六年完成的彼个崔斯特對挵型加速器（英語：TRISTAN，日本語：トリスタン，攏號做TransposableRingIntersectingStorageAccelerator inNippon，即日本會當轉移對挵型儲存環加速器）。 這乃日本文部省高能物理學研究所消息八百七十億日票，費時五年所開發的環形對挵加速器，主要目標之一佇咧走揣頂夸克。但頂夸克的質量遠大於原先理論學家的預期，超過遮加速器的原始設計，上尾予美國費米實驗室的加速器發現。KEKB 沿路用了原先崔斯特加速器的地下磅空，開三百八十億日圓進行偏轉聚焦吸石、束流管佮超導高頻加速空腔（Cavity）的升級改裝工作，並且一九九八年完成開始運轉。KEKB 是一个以八○零 GeV 能量的電子束和三配五 GeV 的正子束對挵的非對稱型加速器，由吸石和加速空腔包覆的兩个周長三 khí-looh 的儲存環組成。非對稱式對挵能量的設計之下，所產生的 B 介子對具有空抹四二五羅倫茲推升（boost）， 予得 B 介子衰變時間相關的實驗量測變做可能。佇最近的一改升級計畫內底，KEKB 加入蟳仔形加速空腔，希望會當進一步提昇亮度毋過未如按算，所以猶原佇咧校調當中。KEKB 猶原是目前（二空空九年六月）世界上，光度上懸的加速器，上新的世界紀錄為 $ 二嬸一一 \ times 十 ^ { 三十四 } { \ text { cm } } ^ { 鋪二 } { \ text { s } } ^ { 影一 } $，積分光度超過九百五十 fb 影一。Belle 實驗佇咧 KEKB 加速器，紀錄了比超過六百幾萬个咧對挵點產生的 B 紹介子著。

Belle 實驗大多數的數據，是佇咧 KEKB 加速器佇咧 Υ 紹介子的四 S 共振態下所揣的，Υ 介子的此共振態強欲會完全衰變做一對 B 介子。為著背景事例分析，佮特殊實驗的目的需要，KEKB 嘛會當偏離 Υ ( 四 S ) 共振態下運作。其中佇咧 Υ ( 三 S ) 共振態提供了暗物質佮希望格斯玻色相關的研究，而且 Υ ( 五 S ) 共振態的數據會當進行 B s B s 介子著的衰變分析。

貝爾偵測器

貝爾偵測器位佇 KEKB 加速器圓環束流管頂的一个對挵點，其實佇咧實驗的大樓叫做筑波實驗室，為一上兩層樓、地下四層樓的建築。該偵測器的大細約是八 m x 八 m x 八 m（即約三層樓懸的立方體）， 重量約是一 , 五百噸，紀錄電子佮正子對挵了後，各種各樣的物理反應過程。

貝爾偵測器是一个通用型的偵測器，包含講以下數個子偵測器：（依序由中心到上外層）

• 頭前置量能器（ExtremeForwardCalorimeter）
• 矽頂點偵測器（SiliconVertexDetector）
• 中央漂移室（CentralDriftChamber）
• 契忍可夫計數器（AerogelCherenkovCounter）
• 飛時計數器（TimeofFlight）
• 碘化協（CsI）電磁量能器（ElectromagneticCaLorimeter）
• K 介子佮渺子偵測器（'K'Long andMuon Detector）

經過遮的偵測器，咧對撞點所產生的粒仔衰變資訊，將巨細靡遺地被紀錄落來。其中，由 SVD 佮 CDC 會當知影帶電粒仔的影跡進一步推算著其動量，量能器是會當量測電子佮光子的能量，上外層的 KLM 會當做渺子鑑別器。貝爾偵測器有一項特別的偵測器，攏是使用矣契忍可夫輻射（Cerenkov Radiation）彼原理，以氣凝膠構成的偵測器，會當通過 Pi 介子佮 K 介子發光的有沒有，判定以數十億電子伏特高速通過的粒子種類。啊若其他 B 介子工場所無的前置量能器，則提供即時加速器亮度的資訊。

貝爾實驗識別標誌

貝爾實驗團隊的識別標誌，是由一个黃色的字母 B 佇藍色的背景頂懸所構成的。這乃因為貝爾實驗的研究對象是 B 介子的衰變。猶閣這个字母 B 實際上是由一字母 e 和另外一个鏡像的 e 組成的，這是代表矣 KEKB 加速器是以電子佮正子（電子的反粒子）著挵，來產生 B 紹介子的。啊若下跤的 BELLE 是 Belle 實驗的英文名稱，但是其實正確的寫法應該是 Belle 毋是全部大寫字母的 BELLE。另外一个會當注意的是，這字母 B 所構成的兩字母 e 的大細無仝啦，是代表著講 KEKB 加速器的非對稱式能量設計。猶毋過，實際上 KEKB 增加速器內對挵會著的電子能量較懸（八 GeV）， 正子能量較低（三人五 GeV）， 拄好佮組成字母 B 的兩个正反字母 e 大細閣倒反。

B-Lab

B-Lab（ビー ・ ラボ）講是一个予一般高中生參與，了解物理學家欲按怎發現新粒仔為目的科學營活動。參加喔 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，用一寡所在 Belle 實驗的真實數據，來進行數據分析的工課。若真正因此發現了新粒子，參加活動的學生，將會當留名在 Belle 實驗的偵測器上。（毋過目前猶無同學有發現未知粒仔）為著欲予參加的高中生會當較緊進入狀況，數據分析的工具無仝款一般的研究人員使用 Linux 作業系統下的 ROOT 抑是 PAW，是使用 Windows 版的 ROOT 程式來進行。

Belle Plus

以高中生為對象，無定期舉辦的基本粒子科學營。目的是予一般的高中生會當體驗，佇咧 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編寫的課程，猶閣有硬體設計製作有關的活動。

諾貝爾物理學獎

二空空八年十月七號瑞典皇家科學院公佈了二空空八年諾貝爾物理學獎的得主，其中一即為前 KEK 基本粒仔原子核研究所長（IPNS ,Institute ofParticle andNuclearStudies）小林誠。同時，皇家科學院嘛強調講貝爾實驗佇咧其有關係 CP 破壞的理論驗證頂懸，扮演重要而且關鍵的角色。嘛因此，KEKB 加速器佮貝爾偵測器佇二空一空年至二空一三年的升級計劃，得著遮的 KEK 機構內底的支持，啊若正式來提交予日本政府審核。

未來升級計畫

貝爾實驗團隊，目前當咧提出 Belle II 的升級企劃案佇日本政府審核內底。這个計畫會當百倍佇目前的加速器影度，產生閣較濟的 B 介子，做閣較精確的物理測量。

參見

• 高能加速器研究機構
• B 紹介子工場
• SuperB

外部連結

• 高能加速器研究機構諾貝爾獎特集（英文 / 日文）
• Belle 實驗（英文 / 日文）
• B Lab（日文）
• Belle Plus（日文）