Exploration of the particle physics frontier at the Super B-factory and cultivation o f young researchers

• Project/Area Number: 22K21347
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (International Leading Research )
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 飯嶋 徹 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 教授 (80270396)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 後田 裕 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (10342601) ; 樋口 岳雄 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 准教授 (40353370) ; 早坂 圭司 新潟大学, 自然科学系, 教授 (40377966) ; 宮林 謙吉 奈良女子大学, 自然科学系, 教授 (40273833) ; 増澤 美佳 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (10290850) ; 金児 隆志 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (20342602)
• Project Period (FY): 2022-12-20 – 2029-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥687,830,000 (Direct Cost: ¥529,100,000、Indirect Cost: ¥158,730,000); Fiscal Year 2028: ¥107,250,000 (Direct Cost: ¥82,500,000、Indirect Cost: ¥24,750,000); Fiscal Year 2027: ¥107,250,000 (Direct Cost: ¥82,500,000、Indirect Cost: ¥24,750,000); Fiscal Year 2026: ¥107,250,000 (Direct Cost: ¥82,500,000、Indirect Cost: ¥24,750,000); Fiscal Year 2025: ¥107,250,000 (Direct Cost: ¥82,500,000、Indirect Cost: ¥24,750,000); Fiscal Year 2024: ¥107,250,000 (Direct Cost: ¥82,500,000、Indirect Cost: ¥24,750,000); Fiscal Year 2023: ¥107,250,000 (Direct Cost: ¥82,500,000、Indirect Cost: ¥24,750,000); Fiscal Year 2022: ¥44,330,000 (Direct Cost: ¥34,100,000、Indirect Cost: ¥10,230,000)
• Keywords: 素粒子（実験） / 素粒子（理論） / 加速器 / 粒子測定技術

Outline of Research at the Start

日本がホストするスーパーBファクトリー（SuperKEKB/Belle II）実験に関して、国内外の実験-加速器-理論の研究グループ間の強固な連携により、同実験の衝突性能と物理探索能力を究極的に高め、標準理論を超える物理の発見を目指す。そのために、国内外の研究機関の間での双方向の研究交流や人材還流を強化して、KEKでの実験遂行と地球規模での機器開発や物理研究を進める。以上の研究をとおして、将来の国際共同加速器プロジェクトをリードする人材を育成する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、スーパーBファクトリー（SuperKEKB/Belle II）実験を舞台として、国内外の実験-理論-加速器の強固な連携により、同実験の衝突性能と物理探索能力を究極的に高め、標準理論を超える物理（BSM：Beyond the Standard Model）の発見を目指している。コロナ禍で停滞した日本と海外研究機関、国内研究機関の間での研究交流や人材還流を強化し、ポスドク雇用、海外若手派遣、国内インターンシップ、若手プロジェクト研究などの人材育成プログラムにより、将来の国際共同加速器プロジェクトを先導できる人材を育成する。
現在、同実験は、2022年夏までに世界最高衝突性能の更新と、先行実験であるBelle実験の約半分のデータ蓄積を達成した後、長期運転休止期間（LS1：Long Shutdown 1）に入り、SuperKEKB加速器とBelle II検出器の一部装置の入れ替えを進め、2023年12月に運転再開の予定である。
2022年度においては、Belle II検出器の崩壊点検出器（PXDとSVD）の入れ替え、粒子識別装置（TOP）の光センサー（MCP-PMT）の交換作業等を進め、加速器では、ビーム入射部の改良、バックグランド抑制のための新しいコリメータや遮蔽の導入、より高いビーム電流蓄積を妨げている突発的なビーム損失現象（SBL：Sudden Beam Loss）に関するスタディを進めた。また、データ解析では、暗黒物質の候補となる軽い新粒子の探索、ミューオン異常磁気能率の検証に重要となる電子-陽電子衝突断面積測定、B中間子崩壊におけるCP対称性の破れ、小林-益川行列要素の測定、レプトン普遍性の検証に関する初期データによる結果導出を進めた。これらの研究推進に、本科研費研究に参画する若手研究者が大きく貢献している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要に記述したLS1中の検出器と加速器の一部装置の入れ替えでは、新しく導入するピクセル型崩壊点検出器（PXD）の準備段階で不具合が発生したが、海外コラボレータとの緊密な協力で不具合の検証と解決策を定めて遅れを最小化した。また、加速器と検出器のインターフェース（MDI: Machine-Detector Interface）を担う国内外研究者の連携チームの協力体制により、コリメータや遮蔽の導入、SBL（Sudden Beam Loss）のスタディも進んでいる。特に、TOP検出器の光センサー交換やSBLのスタディでは本研究の若手研究者が大きく貢献している。
これまでにBelle II実験で蓄積されたデータ量は、先行実験であるBelle実験の約半分に留まっているものの、より優れた検出器性能を活かして、従来の結果に匹敵あるいはそれを上回る精度・感度での多くのデータ解析結果が得られ、2023年２～3月の国際学会では、本研究の参画研究者も多くの成果を発表した。
コロナ禍が収束に向かうなかで、国外との研究交流がコロナ禍以前の状態に戻りつつあり、2023年2月には、KEKにおいて対面で、小林-益川理論50周年記念シンポジウムと国際研究会を開催、Belle II国際コラボレーション会議を開催した。その中で、本科研費研究の推進に関する海外研究者との議論・検討も進み、2023年度以降に本格的な研究交流を進める準備も整った。
本科研費による人材育成では、ポスドク雇用、海外若手派遣、国内インターンシップ、若手プロジェクト研究などのプログラム実施が核となるため、研究分担者を中心とする運営チームを作って具体的な推進案の策定を進めている。交付決定後の時間的制約もあり、2022年度内の若手海外派遣等は進まなかったが、その後若手研究者への周知も進んでおり、2023年には本格的に進めたいと考えている。

Strategy for Future Research Activity

研究面では、2023年度の計画としては、SuperKEKB/Belle II実験では、LS1中の検出器と加速器の装置入れ替え作業を遅滞なく進めて、2023年12月に運転を再開し、衝突性能の改善を実験と加速器の協力で進める。これと並行して、2027年以降に予定しているLS2（Long Shutdown 2）での加速器と測定器のアップグレードの概念設計を進める。LS1前までに蓄積されたデータ解析を進め、従来の実験結果に匹敵あるいはそれを上回る精度・感度での結果導出を図る。初期データで世界最高感度を達成可能な軽い新粒子の探索や小林-益川行列の決定等に関するワークショップ等を開催して、得られたデータ解析結果の解釈や、今後のデータ解析の方針を議論する。その後の計画としては、2027年頃までに先行実験の5倍のデータ蓄積を進めるとともに、2030年代の前半までに50倍に及ぶデータ収集を可能とすることを目指して加速器と測定器のアップグレードに関する基礎開発を進める。先行実験の数倍のデータが収集できた段階で、B崩壊に関する精密測定結果を導出し、最終的には、実験-理論の共同解析により、BSMの兆候を見出すあるいはそのモデルに制限をつける共同解析を進めてゆく。
こうした研究推進と連動して、ポスドク雇用、海外若手派遣、国内インターンシップ、若手プロジェクト研究などの人材育成プログラムを進める。各プログラムの具体的な実施案を策定して、2023年度の早期に、関連研究者や若手研究者に周知するキックオフ研究会を開催し（2023年4月に実施済み）、本研究推進の中核を担うポスドクの雇用を進める（2023年5月に公募開始済み）。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IJCLab/CPPM/IPHC(フランス)
• [Int'l Joint Research] DESY/MPP/Karlsuruhe(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] CERN(スイス)
• [Int'l Joint Research] Pisa/Padova/Trieste(イタリア)
• [Int'l Joint Research] BNL/Hawaii/Cincinnati(米国)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] Observation of e+e- → ω χ bJ and search for Xb →ωΥ(1S) at √ s near 10.75 GeV (2023)
  • Author(s): I. Adachi, …, K. Hayasaka, …, T. Higuchi, …, T. Iijima, …, K. Miyabayashi,…, Y. Ushiroda et al. (Belle II Collaboration)
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett._ Volume: 130 Issue: 9 Pages: 91902-91902
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.091902
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of the Ω_c^0 lifetime at Belle II (2023)
  • Author(s): F. Abudinen, …, K. Hayasaka, …, T. Higuchi, …, T. Iijima, …, K. Miyabayashi,…, Y. Ushiroda et al. (Belle II Collaboration)
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 107 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physrevd.107.l031103
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for a dark photon and an invisible dark Higgs boson in μ+μ- and missing energy final states with the Belle II experiment (2023)
  • Author(s): F. Abudinen,…, K. Hayasaka, …, T. Higuchi, …, T. Iijima, …, K. Miyabayashi,…, Y. Ushiroda et al. (Belle II Collaboration)
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 130 Issue: 7 Pages: 71804-71804
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.071804
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of the Λ_c^+ lifetime (2023)
  • Author(s): F. Abudinen, …, K. Hayasaka, …, T. Higuchi, …, T. Iijima, …, K. Miyabayashi,…, Y. Ushiroda et al. (Belle II Collaboration)
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 130 Issue: 7 Pages: 71802-71802
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.071802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Status, recent highlights and prospects from Belle II at SuperKEKB (2023)
  • Author(s): Toru Iijima
  • Organizer: Anomalies 2023 Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Recent Belle II results related to flavor anomalies (2023)
  • Author(s): Kazuki Kojima
  • Organizer: International Conference on the Physics of the Two Infinities (2Infinities)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Belle II results related to b→c anomalies (2023)
  • Author(s): Kazuki Kojima
  • Organizer: Rencontres de Moriond - Electroweak Interactions & Unified Theories (MoriondEW2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Recent results on hadronic decays and CP violation at Belle II (2023)
  • Author(s): Ryogo Okubo
  • Organizer: Lake Louise Winter Institute 2023 (LLWI 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] R(D) and R(D*) measurements at Belle II (2023)
  • Author(s): Qi-Dong Zhou
  • Organizer: 7th KEK Flavour-Factory Workshop (KEK-FF 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Recent results related to ph2 at Belle II (2023)
  • Author(s): Yu Nakazawa
  • Organizer: 7th KEK Flavour-Factory Workshop (KEK-FF 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hadronic vacuum polarization measurements at Belle II (2023)
  • Author(s): Yuki Sue
  • Organizer: 7th KEK Flavour-Factory Workshop (KEK-FF 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Belle II実験189 fb-1データにおけるハドロニックタグを用いたR(D*)測定結果_ (2023)
  • Author(s): 児島一輝
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] B → τν Branching Ratio Sensitivity Study with the Hadronic Tag at the Belle II Experiment (2023)
  • Author(s): AVERSANO Michele
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] B+→J/ψ K*+崩壊を用いたB中間子崩壊点位置分解能の評価 (2023)
  • Author(s): 黒田奈津貴_
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Belle II実験における2022年までのデータを用いたB0→KS0KS0KS0過程の時間依存CP非対称度の測定 (2023)
  • Author(s): 谷川輝
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] SuperKEKB加速器のバンチ入射バックグラウンドの解析によるトリガー論理改善の検討 (2023)
  • Author(s): 楠戸愛美
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Beam Abort analysis at SuperKEKB/Belle II Experiment (2023)
  • Author(s): AVERSANO Michele
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] SuperKEKB加速器におけるビームアボート高速化に向けた基礎研究 (2023)
  • Author(s): 北村和樹
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] SuperKEKBビームロスモニター開発のためのテストビームラインを用いたEMTの検出効率の評価 (2023)
  • Author(s): 前田朱音
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Belle II実験における素粒子標準理論を超える新物理探索の現状とSuperKEKBの改良後の展望 (2023)
  • Author(s): 吉原圭亮
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] Belle II実験におけるheavy QCD axionを伴ったB+ → K+ a崩壊の探索 (2023)
  • Author(s): 伊藤慎太郎
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] GANを用いた加速器シミュレータの開発 (2023)
  • Author(s): 度会龍
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 電子陽電子衝突加速器SuperKEKBのルミノシティ向上へ向けた改良 (2023)
  • Author(s): 三塚岳
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] 格子QCDによるB→πlν崩壊の形状因子の計算 (2023)
  • Author(s): 金児隆志
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] B meson exclusive semileptonic decays from JLQCD (2023)
  • Author(s): 金児隆志
  • Organizer: Challenges and opportunities in Lattice QCD and related topics
  • Invited
• [Remarks] Belle II Collaboration webpage
  • URL: https://belle2.org/
• [Remarks] Belle II Collaboration public webpage
  • URL: https://belle2.jp/
• [Remarks] SuperKEKB webpage
  • URL: https://www-superkekb.kek.jp