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“绝世美女二世”Belle II
2017-04-25 | 【

  近日,一则“Belle II探测器推入对撞点”的报道令人有些疑惑,这个Belle II是干什么的?Belle II推入对撞点有何重要意义?

  记忆中,Belle是迪斯尼童话故事《美女与野兽》中主角的名字,她是一位美丽、聪明、优雅、善良、勇敢的公主。

  而在日本高能加速器研究机构KEK,建在非对称正负电子对撞机KEKB一个对撞点上的,用于进行CP对称性破坏研究的大型粒子探测器1995年被命名为Belle——法文中“绝世美女”之意。Belle是一项重要的国际合作实验,此项实验研究需要加速器产生大量的B介子,KEKB被称为“B介子工厂”。

  在获得多项重要成果之后,日本政府批准KEKB进行重大升级改造,改造完成后将成为SuperKEKB——“超级B介子工厂”,用于探究宇宙起源的奥秘,探索超出标准模型的新物理,位于SuperKEKB对撞点上的新粒子探测器则被命名为Belle II——“绝世美女二世”。

  至此,就明白啦,Belle II推入对撞点,对Belle II国际合作组和SuperKEKB工程来说,是十分重要的里程碑。

  KEK

  日本高能加速器研究机构KEK的全称是High Energy Accelerator Research Organization,其前身是1971年成立的日本高能物理研究所(National Laboratory for High Energy Physics),简称KEK,隶属日本文部省的国家实验室,从事高能物理、核物理和加速器技术研究。

  为增强国际竞争力,日本文部省于1997年4月将KEK与东京大学原子核科学研究所INS(Institute for Nuclear Study)、东京大学理学院附属的介子科学实验室MSL(Muon Science Laboratory)合并,成立了高能加速器研究机构(High Energy Accelerator Research Organization),英文缩写仍沿用KEK,定位为:发展粒子加速器,开展粒子物理、核物理以及材料功能和结构研究。

   

  日本KEK位置图(图片来自Google) 

   

  日本KEK(图片来自https://www.kek.jp/en/) 

  KEKB与Belle

  为深入研究基本粒子的性质,科学家们必须想办法在实验室中“生产”出大量开展某种研究所需要的粒子。通常采用的办法是用粒子加速器将电子、质子或其它带电的粒子加速到很高的能量,然后让束流打静止靶,与核子或电子碰撞,或者是让相向运动的粒子束流对撞来产生大量某种粒子,然后用相应的专用探测器来探测这种粒子的衰变过程。

  为寻找“顶夸克”,KEK耗资870亿日元,费时五年于1986年建成了可转移对撞型储存环加速器TRISTAN。但后来发现顶夸克的质量远大于理论学家原先的预期,超出了此加速器的设计指标范围,预定的科学目标根本无法实现,TRISTAN于1995年停止运行。KEK又耗资380亿日元,沿用安装TRISTAN的地下隧道,对TRISTAN的偏转聚焦磁铁、束流管与超导高频加速空腔进行升级改造,建成一个周长约3公里的非对称正负电子对撞机KEKB,由8 GeV能量的电子与3.5GeV能量的正电子对撞,产生大量B介子和反B介子,因此也称为“B介子工厂”。KEKB于1998年开始运行。

   

  KEKB与Belle示意图(图片来自网络) 

  Belle探测器位于KEKB的一个对撞点上,这位“绝世美女”不能算苗条,长、宽、高均为8米,重量约1500吨,前置量能器、硅顶点探测器、中央漂移室、切伦科夫计数器、飞行时间计数器、碘化铯电磁量能器、以及K介子与μ子探测器等子探测器由内到外排列。经由这些子探测器,电子与正子在对撞点对撞后每年产生的约1亿个B介子-反B介子衰变事例以及各式各样的物理反应过程的相关信息将被完整地记录下来。

   

  Belle探测器(图片来自网络) 

  数百位科学家组成的研究团队利用Belle取得的数据进行CP破坏(粒子与反粒子性质的不同)方面的研究。CP破坏对于揭秘宇宙中反物质消失相当关键,理论学家预言在B介子衰变系统下应可观察到很大的CP破坏现象,正因如此,Belle实验始终受到世界瞩目。

  KEKB自1999年6月开始运行,Belle国际合作组取得了不少重要的研究成果,特别是2001年,由Belle实验确认了由夸克构成的正反粒子——B介子和反B介子的“CP对称性破缺”现象,从而验证了日本科学家小林诚和益川敏英提出的“小林-益川CP破坏理论”。小林诚、益川敏英与另一美籍日裔科学家南部阳一郎一起分享了2008年诺贝尔物理学奖,瑞典国家科学院颁奖时强调了Belle实验在有关CP破坏理论验证上的贡献。

  高能所在Belle合作组成立之初就参加了实验并对软件和物理分析做出了很多贡献,包括发现矢量类粲偶素Y(4660)和带电类粲偶素Zc(3900)+。目前,实验中发现的4-5 GeV间矢量粒子明显多于粲偶素势模型所预言的数量,理论上对Y(4660)等类粲偶素的性质有各种各样的猜测:包括普通粲偶素、粲偶素混杂态、介子分子态、重子分子态、多夸克态等;Y(4660)与北京谱仪III实验同时发现的Zc(3900)+极有可能是一个四夸克态。

   

  π+πψ(2S)不变质量的分布以及拟合结果,两个共振峰分别为Y(4360)Y(4660) 

  SuperKEKB与Belle II

  为保持日本在加速器领域的地位,在小林、益川获诺贝尔物理学奖之后,日本政府批准KEKB加速器与Belle探测器进行升级改造。2010年,KEKB停止运行,KEKB开始重大改造,之后将成为SuperKEKB——超级B工厂,对撞亮度将提升至原来的40倍。

  为适应大大提升的数据量Belle将升级为Belle II——“绝世美女二世”,包括新的像素探测器(PXD)、更大的硅定点探测器(SVD)、新的中央漂移室(CDC)、新的粒子识别探测器(BPID)、改进的电磁量能器(ECL)、新的KL与μ子探测器(KLM),以及可升级的触发和数据获取系统。

   

  SuperKEKB与Belle II示意图(图片来自网络) 

   

  Belle II效果图(图片来自网络) 

  中国作出重要贡献

  Belle II由来自二十余个国家数百名科学家共同建造,中国科学院高能物理研究所、北京大学、中国科学技术大学和北京航空航天大学参加了此项重要的国际合作,在探测器建造、软件开发、新强子态的寻找及粲介子振荡和CP破坏研究中作出了重要贡献。

  以高能所的部分工作为例:

  鉴于高能所在研制北京谱仪III触发系统的过程中开发出前沿技术并积累了丰富的经验,KEK相关专家于2007年底专程到高能所访问,初步考虑在Belle升级改造中采用北京谱仪III的光纤和高速串行读出技术。此后,双方专家进行了密切的技术交流,KEK的探测器专家、电子学专家、触发专家和数据获取专家先后三次专访高能所进行技术讨论,邀请高能所承担相关关键技术的设计。2009年底,高能所决定由实验物理中心组织相关人员成立项目组,承担Belle II整体高速数据读出与传输项目(Belle2Link)的研制与工程设计。

  在仔细研究Belle II探测器技术要求的基础上,高能所项目组提出了软件硬件通用、单一、普适的设计理念,将原来以漂移室为基础研制的高性能数据读出系统移植应用于其他所有的子探测器,并在单一光纤链路上研制高速数据读出和慢控命令及数据的共享传输,最后构成完整的高速数据读出与传输系统,这将使Belle II成为国际上首个实现该项新技术的实验。

  2010年3月,高能所项目组完成了Belle2Link项目技术设计报告、5月与KEK签订了实验室间的合作备忘录,7月到KEK进行Belle2Link与漂移室模型样机的联调实验获得圆满成功,这标志着该项目由预制研究转入与所有系统读出系统的联合工程设计。

   

  高能所Belle2Link项目组部分成员(图片来自网络) 

  2012年底,Belle2link的设计与建造取得重要进展,小单元数据获取(采集)系统成功进行了宇宙线取数实验,Belle II国际合作的专家鉴定组对该系统进行了鉴定认可,并成立了由高能所牵头,由各个探测器电子学系统、触发系统和KEK数据获取系统参加的工作组,组织协调后续的改进、联调工作。高能所在Belle II国际合作中发挥着重要的作用。

  工程进展

  经过五年的大规模升级改造后,SuperKEKB于2016年2月1日开始进行测试运行并成功完成了正负电子束流注入及存储,这是SuperKEKB整体调试的第一个里程碑。

   

  SuperKEKB对撞区(图片来自网络) 

  与加速器调试运行的同时,Belle II探测器各部分组件已逐步完成组装和整合。2017年4月11日,由7个子探测器组成,高8米,重1400吨的Belle II被缓慢、精确地从13米外的组装区域推进到束流对撞点,历时约5个小时。至此,Belle II探测器与SuperKEKB正式整合在一起了。

  Belle II探测器顺利推入SuperKEKB对撞点,对Belle II国际合作组和SuperKEKB工程来说,是十分重要的里程碑。

   

  推入SuperKEKB对撞点的Belle II探测器(图片来自KEK) 

  当然,周长3公里的SuperKEKB规模比不上欧洲周长27公里的大型强子对撞机LHC,但千万别小瞧了SuperKEKB,它碰撞产生的粒子是揭开反物质之谜的前提。

  Belle II利用世界上最先进的技术,具有每秒钟记录约30000次碰撞数据的能力。预计从2018年开始,Belle II将可收集比升级前Belle实验大50倍以上的数据样本,测量精度也有大幅度的提升,这将有助于还原宇宙大爆炸粒子对撞的情景,帮助科学家精确测量基本粒子的相互作用,探究宇宙起源的奥秘,探索超出标准模型的新物理。


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