基本介紹
- 中文名：Belle實驗
- 外文名：Belle experiment
簡介,歷年發表的重要成果,KEKB加速器,貝爾偵測器,貝爾實驗識別標誌,B-Lab,Belle Plus,諾貝爾物理學獎,未來升級計畫,參見,
簡介
貝爾實驗（Belle experiment）為世界上兩大B介子工廠之一，是一個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，乃是因為此實驗的研究需要產生大量的B介子，而產生的來源是由電子（electron）與正電子（電子的鏡像反粒子，el）對撞生成的。
參與此實驗的研究團隊包含有來自17個國家，超過400位物理學家與技術人員所組成的。
歷年發表的重要成果
- 2008年8月5日：發現三種新的介子。
- 2007年11月9日：再觀測到新型態的介子。
- 2007年8月13日：觀測到中性D介子混合震盪現象。
- 2007年3月2日：B介子衰變所顯現出來的量子力學效應，量子糾纏現象的實證。
- 2005年6月30日：觀測到新型態B介子衰變過程。
- 2005年3月1日：繼續發現新粒子：量子色動力學的新發展。
- 2004年8月20日：逐步闡明CP對稱性破壞的現象。
- 2003年11月14日：觀測到新型態的介子。
- 2003年8月20日：實驗結果顯示新物理的徵兆。
KEKB加速器
凱克畢加速器（KEKB，即位於KEK的B介子工廠）的前身為1986年完成的崔斯特（TRISTANトリスタン 原意為TransposableRingIntersectingStorageAccelerator inNippon，即日本可轉移對撞型儲存環加速器）對撞型加速器。此乃日本文部省高能物理學研究所耗資870億日圓，費時五年所開發的環形對撞加速器，主要目標之一在於尋找頂夸克。但一如特里斯坦與伊索爾德悲劇般，頂夸克的質量遠大於原先理論學家的預期，超過此加速器的原始設計，最後才在美國費米實驗室的加速器中發現。KEKB沿用了原先崔斯特加速器的地下隧道，耗資380億日圓進行偏轉聚焦磁鐵、束流管與超導高頻加速空腔（Cavity）的升級改裝工作，並於1998年完成開始運轉。KEKB是一個以8.0 GeV能量的電子束與3.5 GeV的正子束對撞的非對稱型加速器，由磁鐵與加速空腔包覆的兩個周長3公里的儲存環組成。在其非對稱式對撞能量的設計下，所產生的B介子對具有0.425羅倫茲推升（boost），使得B介子衰變時間相關的實驗量測成為可能。在最近的一次升級計畫中，KEKB加入了蟹形加速空腔，希望能進一步提升亮度但未如預期，因此仍在校調當中。KEKB仍是目前（2009年6月）世界上，亮度最高的加速器，最新的世界紀錄為
，蓄積亮度超過950/fb。Belle實驗在KEKB加速器，紀錄了相當於超過六百多萬個在對撞點產生的B介子對。
Belle實驗大多數的數據，是在KEKB加速器於Upsilon介子的4S共振態下所擷取的，Upsilon的此共振態幾乎會完全衰變為一對B介子。為了背景事例分析，與特殊實驗目的的需要，KEKB也可以在偏離4S共振態下運作。其中於Upsilon3S共振態提供了暗物質與希格斯玻色子相關的研究，而Upsilon5S共振態的數據則可以進行B_s粒子對（由反b夸克與s夸克所組成粒子與反粒子）的衰變分析。
貝爾偵測器
貝爾偵測器位於KEKB加速器圓環束流管上的一個對撞點，其所在的實驗大樓稱作是筑波實驗室，為一上兩層樓、地下四層樓的建築。該偵測器的大小約為8m x 8m x 8m（即約三層樓高的立方體），重量約為1,500公噸，紀錄電子與正子對撞後，各式各樣的物理反應過程。
貝爾偵測器是一個通用型的偵測器，包含了以下數個子偵測器：（依序由中心到最外層）
- 前置量能器（ExtremeForwardCalorimeter）
- 矽頂點偵測器（SiliconVertexDetector）
- 中央漂移室（CentralDriftChamber）
- 切連科夫計數器（AerogelCherenkovCounter）
- 飛時計數器（TimeofFlight）
- 碘化銫（CsI）電磁量能器（ElectromagneticCaLorimeter）
經由這些子偵測器，在對撞點所產生的粒子衰變信息，將巨細靡遺地被紀錄下來。其中，由SVD與CDC可以得知帶電粒子的軌跡進而推算出其動量，而量能器則可以量測電子與光子的能量，最外層的KLM可以作為μ子鑑別器。貝爾偵測器有一項特別的偵測器，是使用了切連科夫輻射（Cerenkov Radiation）的原理，以氣凝膠構成的偵測器，可以通過Pi介子與K介子發光的有無，判定以數十億電子伏特高速通過的粒子種類。而其他B介子工廠所沒有的前置量能器，則提供了即時的加速器亮度信息。
貝爾實驗識別標誌
貝爾實驗團隊的識別標誌，是由一個黃色的字母B在藍色的背景上所構成的。此乃因為貝爾實驗的研究對象是B介子的衰變。而這個字母B實際上是由一個字母e與另一個鏡像的e組成的，這是代表了KEKB加速器是以電子與正子（電子的反粒子）對撞，來產生B介子的。而下方的BELLE是Belle實驗的英文名稱，但是其實正確的寫法應該是Belle而不是全部大寫字母的BELLE。另一個可以注意的是，這個字母B所構成的兩個字母e的大小不同，是代表了KEKB加速器的非對稱式能量設計。但是，實際上KEKB加速器內對撞的電子能量較高（8 GeV），而正子能量較低（3.5 GeV），剛好與組成字母B的兩個正反字母e大小相反。
B-Lab
Belle Plus
以高中生為對象，不定期舉辦的基本粒子科學營。目的是讓一般的高中生可以體驗，在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撰寫的課程，以及硬體設計製作有關的活動。
諾貝爾物理學獎
2008年十月七日瑞典皇家科學院公布了2008年諾貝爾物理學獎的得主，其中之一即為前KEK基本粒子原子核研究所長（IPNS,Institute ofParticle andNuclearStudies）小林誠。同時，皇家科學院也強調了貝爾實驗在於其有關CP破壞的理論驗證上，扮演重要且關鍵的角色。也因此，KEKB加速器與貝爾偵測器於2010年至2013年的升級計畫，得以獲得KEK機構內部的支持，而正式提交給日本政府審核。
未來升級計畫
貝爾實驗團隊，目前正提出Belle II的升級企劃案於日本政府審核中。該計畫將以100倍於目前的加速器亮度，產生更多的B介子，做更精確的物理測量。
參見
- B介子工廠
