벨 실험

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1. 개요
2. 실험 목적 및 주요 성과
- 2.1. 주요 성과
3. 연구 분야
- 3.1. B 중간자 물리학
- 3.2. 기타 연구 분야
4. Belle 측정기
- 4.1. 구성 요소
5. 데이터 샘플
- 5.1. 데이터 수집
- 5.2. 성과
6. 로고
7. B-Lab (비-랩)
8. Belle Plus
참조

1. 개요

벨 실험은 CP 위반을 찾는 것을 목표로, 희귀 붕괴, 이국적인 입자 탐색, D 중간자 및 타우 입자의 속성에 대한 정밀 측정 등 다양한 연구를 수행한 실험이다. 중성 B 중간자 시스템에서 CP 위반 현상 관측, CKM 쿼크 혼합 행렬 요소 측정, 새로운 입자 발견 등 주요 성과를 거두었으며, B 중간자의 붕괴에서 양자 얽힘 현상을 밝혀내기도 했다. B 중간자의 CP 대칭성 깨짐 연구, B 중간자 희귀 붕괴 연구, D 중간자 및 타우 렙톤 붕괴 연구 등을 진행했으며, KEKB 가속기를 통해 데이터를 수집했다. 벨 실험의 로고는 B 중간자를 나타내며, B-Lab과 Belle Plus와 같은 교육 프로그램을 운영하고 있다.

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벨 실험
개요
이름	벨 실험 (Belle experiment)
유형	입자물리학 실험
목표	B 중간자의 붕괴 연구, CP 대칭성 위반 연구
위치	일본 쓰쿠바시 소재 KEK
운영 기간	1999년 - 2010년
관련 입자	웁실론(Υ(4S)) 중간자
가속기
가속기 이름	KEKB (B 중간자 공장)
충돌 에너지	웁실론(4S) 공명 에너지 영역
검출기
검출기 이름	벨 검출기 (Belle detector)
주요 구성 요소	실리콘 정점 검출기 (SVD) 중심 드리프트 챔버 (CDC) 에어록스 체렌코프 계수기 (ACC) 전자기 칼로리미터 (ECL) 뮤온/K 중간자 검출기 (KLM)
후속 실험
후속 실험 이름	Belle II
가속기	SuperKEKB
시작	2018년 (물리 데이터 수집 시작)
참고 자료

2. 실험 목적 및 주요 성과

이 실험은 CP 위반을 찾는 데 목적이 있었지만, 희귀 붕괴, 이국적인 입자 탐색, D 중간자와 타우 입자의 속성 정밀 측정 등 광범위한 연구를 수행했다.^[1] 이 실험을 통해 물리학 저널에 거의 300편의 논문이 게재되었다. 벨(Belle) 실험에서는 다음과 같은 다양한 물리학 연구가 수행되었다.

B 중간자 붕괴에서 나타나는 CP 대칭성 깨짐 연구: 고바야시-마스카와 모형의 정밀 검증을 수행한다.
B 중간자 희귀 붕괴 연구: B 중간자 붕괴에 간접적으로 기여할 가능성이 있는 새로운 입자를 연구한다.
D 중간자, τ 렙톤 등 B 중간자 이외의 입자 붕괴 연구: B 팩토리에서는 B 중간자 외에도 다양한 입자가 발생하며, 이러한 붕괴를 자세히 연구한다.
새로운 하드론 상태 생성 연구: 4개의 쿼크로 구성된 새로운 입자, 5개의 쿼크로 구성된 펜타쿼크 등을 연구한다.
2광자 생성 과정 연구: 광자 구조 함수 연구 등을 수행한다.

이러한 연구 성과는 경쟁 상대인 BaBar 실험의 성과와 함께 발표되었다.

2. 1. 주요 성과

이 실험은 CP 위반을 찾는 데 동기가 부여되었다.^[6] 그러나 희귀 붕괴에 대한 광범위한 연구, 이국적인 입자 탐색, D 중간자와 타우 입자의 속성에 대한 정밀 측정 또한 수행했다.^[1] 이 실험은 물리학 저널에 거의 300편의 논문을 게재하는 결과를 낳았다.

벨(Belle) 실험의 주요 성과는 다음과 같다.

중성 B 중간자 시스템에서 큰 CP 위반 현상 관측^[7]
포함적 $B\to X_{s}\gamma$ 붕괴의 분기비 측정^[8]
$B \to K l^+ l^-$ ^[9] 및 $B \to K^* l^+ l^-$ ^[10]를 사용한 $b\to sl^+l^-$ 전이 관측
$B \to D K, D \to K_S \pi^+ \pi^-$ 달리츠 플롯을 사용하여 $\phi_3$ 측정^[1]
CKM 쿼크 혼합 행렬 요소 $|V_{ub}|$ 및 $|V_{cb}|$ 측정^[1]
$B^0 \to \pi^+ \pi^-$ ^[11] 및 $B^0 \to K^- \pi^+$ ^[12]에서 직접 CP 위반 현상 관측
$b \to d$ 전이 관측^[13]
$B \to \tau \nu$ 에 대한 증거^[14]
X(3872)를 포함한 다수의 새로운 입자 관측^[15]
2007년 3월 2일: B 중간자의 붕괴에서 양자역학적인 효과(양자 얽힘)가 밝혀졌다.^[16]

3. 연구 분야

Belle 실험에서는 다음과 같은 다양한 물리학 연구가 수행되고 있다.^[1]

'''CP 대칭성 깨짐 연구''': 고바야시-마스카와 모형의 정밀 검증.
'''B 중간자 희귀 붕괴 연구''': B 중간자 붕괴에 간접적으로 기여할 수 있는 새로운 입자 연구.
'''D 중간자, τ 렙톤 붕괴 연구''': B 팩토리에서 발생하는 B 중간자 외 다양한 입자들의 붕괴 연구.
'''새로운 하드론 상태 생성 연구''': 4개의 쿼크로 구성된 새로운 입자, 5개의 쿼크로 구성된 펜타쿼크 등.
'''2광자 생성 과정 연구''': 광자 구조 함수 연구 등.

이러한 연구 성과는 경쟁 상대인 BaBar 실험의 성과와 함께 공표되고 있다.

3. 1. B 중간자 물리학

이 실험은 CP 위반을 찾는 데 동기를 부여받았다.^[6] 그러나 이 실험은 희귀 붕괴에 대한 광범위한 연구, 이국적인 입자 탐색, 그리고 D 중간자와 타우 입자의 속성에 대한 정밀 측정 또한 수행했다.^[1] 이 실험은 물리학 저널에 거의 300편의 논문을 게재하는 결과를 낳았다.

벨(Belle) 실험의 주요 성과는 다음과 같다.

중성 B 중간자 시스템에서 큰 CP 위반 현상 관측^[7]
포함적 $B\to X_{s}\gamma$ 붕괴의 분기비 측정^[8]
$B \to K l^+ l^-$ ^[9] 및 $B \to K^* l^+ l^-$ ^[10]를 사용한 $b\to sl^+l^-$ 전이 관측
$B \to D K, D \to K_S \pi^+ \pi^-$ 달리츠 플롯을 사용하여 $\phi_3$ 측정^[1]
CKM 쿼크 혼합 행렬 요소 $|V_{ub}|$ 및 $|V_{cb}|$ 측정^[1]
$B^0 \to \pi^+ \pi^-$ ^[11] 및 $B^0 \to K^- \pi^+$ ^[12]에서 직접 CP 위반 현상 관측
$b \to d$ 전이 관측^[13]
$B \to \tau \nu$ 에 대한 증거^[14]
X(3872)를 포함한 다수의 새로운 입자 관측^[15]
2007년 3월 2일: B 중간자의 붕괴에서 양자 얽힘가 밝혀졌다.^[16]

Belle 실험에서는 다양한 물리학 연구가 수행되고 있다. 예를 들어 다음을 들 수 있다.

; B 중간자의 붕괴에서 나타나는 CP 대칭성 깨짐 연구

: 고바야시-마스카와 모형의 정밀 검증을 수행한다.

; B 중간자 희귀 붕괴 연구

: B 중간자의 붕괴에 간접적으로 기여할 가능성이 있는 새로운 입자를 연구한다.

; B 중간자 이외의 D 중간자, 및 τ 렙톤 붕괴 연구

: B 팩토리에서는 B 중간자 외에도 다양한 입자가 발생한다. 이러한 붕괴를 자세히 연구한다.

; 새로운 하드론 상태 생성 연구

: 4개의 쿼크로 구성된 새로운 입자, 5개의 쿼크로 구성된 펜타쿼크 등.

; 2광자 생성 과정 연구

: 광자 구조 함수 연구 등.

이러한 연구 성과는 경쟁 상대인 BaBar 실험의 성과와 함께 공표되고 있다.

3. 2. 기타 연구 분야

이 실험은 CP 위반을 찾는 데 목적이 있었지만, 희귀 붕괴에 대한 광범위한 연구, 이국적인 입자 탐색, 그리고 D 중간자와 타우 입자의 속성에 대한 정밀 측정 또한 수행했다.^[1] 이 실험은 물리학 저널에 거의 300편의 논문을 게재하는 결과를 낳았다.

벨(Belle) 실험에서는 다양한 물리학 연구가 수행되고 있다. 예를 들면 다음과 같다.

'''B 중간자의 붕괴에서 나타나는 CP 대칭성 깨짐 연구''': CP 대칭성 깨짐을 기술하는 고바야시-마스카와 모형의 정밀 검증을 수행한다.
'''B 중간자 희귀 붕괴 연구''': B 중간자의 붕괴에 간접적으로 기여할 가능성이 있는 새로운 입자를 연구한다.
'''B 중간자 이외의 D 중간자, 및 τ 렙톤 붕괴 연구''': B 팩토리에서는 B 중간자 외에도 다양한 입자가 발생한다. 이러한 붕괴를 자세히 연구한다.
'''새로운 하드론 상태 생성 연구''': 4개의 쿼크로 구성된 새로운 입자, 5개의 쿼크로 구성된 펜타쿼크 등.
'''2광자 생성 과정 연구''': 광자 구조 함수 연구 등.

이러한 연구 성과는 경쟁 상대인 BaBar 실험의 성과와 함께 공표되고 있다.

4. Belle 측정기

KEKB 가속기 원형 링상의 한 곳(쓰쿠바 실험동)에 Belle 측정기가 설치되어 있다. 이 측정기에서는 전자·양전자 충돌로 일어난 반응의 모습이 기록된다. 크기는 8m x 8m x 8m, 무게는 1500ton 정도이다. Belle 측정기는 여러 개의 서브 측정기로 구성되어 있으며, 에어로젤에서 발생하는 체렌코프 복사를 이용한 ACC(Aerogel Cherenkov Counter)가 특징적이다. ACC에서는 입자가 검출기를 통과할 때 체렌코프 복사의 유무에 따라 수 기가 전자볼트의 운동량에서 파이 중간자와 K 중간자의 입자 식별을 할 수 있다.

4. 1. 구성 요소

KEKB 가속기의 원형 링상의 한 곳(쓰쿠바 실험동)에 Belle 측정기가 설치되어 있다. 이 측정기에서는 전자·양전자 충돌로 일어난 반응의 모습이 기록된다. 크기는 8m x 8m x 8m, 무게는 1500ton 정도이다. Belle 측정기는 여러 개의 서브 측정기로 구성되어 있으며, 이러한 정보를 복합적으로 조합하여 반응으로 발생한 입자의 운동량, 에너지, 붕괴점, 입자의 종류 등을 측정한다. Belle 측정기의 서브 측정기 중에서 특징적인 것으로는 에어로젤에서 발생하는 체렌코프 복사를 이용한 ACC(Aerogel Cherenkov Counter)가 있다. ACC에서는 입자가 검출기를 통과할 때 체렌코프 복사의 유무에 따라 수 기가 전자볼트의 운동량에서 파이 중간자와 K 중간자의 입자 식별을 할 수 있다.

5. 데이터 샘플

KEKB 가속기는 당시 세계 최고 광도를 가진 장치였다. 데이터의 상당 부분은 (4S)에서 수집되었으며, 순간 광도는 을 초과했다. (4S) 질량에서 수집된 적분 광도는 약 (7억 7100만 개의 중간자 쌍에 해당)이었다. 배경을 연구하기 위해 데이터의 약 10%가 (4S) 공명 아래에서 기록되었다. 또한 KEKB는 중간자를 연구하기 위해 (5S) 공명에서, 그리고 암흑 물질과 힉스 보손의 증거를 찾기 위해 (1S), (2S) 및 (3S) 공명에서 특별한 실험을 수행했다. Belle이 수집한 (1S), (2S) 및 (5S) 샘플은 세계 최대 규모이다.

5. 1. 데이터 수집

KEKB 가속기는 당시 세계 최고 광도를 가진 장치였다. 데이터의 상당 부분은 (4S)에서 수집되었다. 순간 광도는 을 초과했다. (4S) 질량에서 수집된 적분 광도는 약 (7억 7100만 개의 중간자 쌍에 해당)이었다. 배경을 연구하기 위해 데이터의 약 10%가 (4S) 공명 아래에서 기록되었다. 또한 KEKB는 중간자를 연구하기 위해 (5S) 공명에서, 그리고 암흑 물질과 힉스 보손의 증거를 찾기 위해 (1S), (2S) 및 (3S) 공명에서 특별한 실험을 수행했다. Belle이 수집한 (1S), (2S) 및 (5S) 샘플은 세계 최대 규모이다.

KEKB 가속기의 원형 링상의 한 곳(쓰쿠바 실험동)에 Belle 측정기가 설치되어 있다. 이 측정기에서는 전자·양전자 충돌로 일어난 반응의 모습이 기록된다. 크기는 8m x 8m x 8m, 무게는 1500ton 정도이다. Belle 측정기는 여러 개의 서브 측정기로 구성되어 있으며, 이러한 정보를 복합적으로 조합하여 반응으로 발생한 입자의 정보를 최대한 끌어낸다. 입자의 운동량, 에너지, 붕괴점, 입자의 종류 등이 측정된다. Belle 측정기의 서브 측정기 중에서 특징적인 것으로는 에어로젤에서 발생하는 체렌코프 복사를 이용한 ACC(Aerogel Cherenkov Counter)가 있다. ACC에서는 입자가 검출기를 통과할 때 체렌코프 복사의 유무에 따라 수 기가 전자볼트의 운동량에서 파이 중간자와 K 중간자의 입자 식별을 할 수 있다.

5. 2. 성과

이 실험은 CP 위반을 찾는 데 동기를 부여받았다.^[6] 그러나 이 실험은 희귀 붕괴에 대한 광범위한 연구, 이국적인 입자 탐색, 그리고 D 중간자와 타우 입자의 속성에 대한 정밀 측정 또한 수행했다.^[1] 이 실험은 물리학 저널에 거의 300편의 논문을 게재하는 결과를 낳았다.

벨(Belle) 실험의 주요 성과는 다음과 같다.

중성 B 중간자 시스템에서 큰 CP 위반 현상 관측^[7]
포함적 $B\to X_{s}\gamma$ 붕괴의 분기비 측정^[8]
$B \to K l^+ l^-$ ^[9] 및 $B \to K^* l^+ l^-$ ^[10]를 사용한 $b\to sl^+l^-$ 전이 관측
$B \to D K, D \to K_S \pi^+ \pi^-$ 달리츠 플롯을 사용하여 $\phi_3$ 측정^[1]
CKM 쿼크 혼합 행렬 요소 $|V_{ub}|$ 및 $|V_{cb}|$ 측정^[1]
$B^0 \to \pi^+ \pi^-$ ^[11] 및 $B^0 \to K^- \pi^+$ ^[12]에서 직접 CP 위반 현상 관측
$b \to d$ 전이 관측^[13]
$B \to \tau \nu$ 에 대한 증거^[14]
X(3872)를 포함한 다수의 새로운 입자 관측^[15]

KEKB 가속기는 당시 세계 최고 광도를 가진 장치였다. 데이터의 상당 부분은 Upsilon 중간자(4S)에서 수집되었다. 순간 광도는 2.11cm-2s-1을 초과했다. Upsilon 중간자(4S) 질량에서 수집된 적분 광도는 약 710fb-1 (7억 7100만 개의 B 중간자-반 B 중간자 쌍에 해당)이었다. 배경을 연구하기 위해 데이터의 약 10%가 Upsilon 중간자(4S) 공명 아래에서 기록되었다. 또한 KEKB는 기묘 B 중간자를 연구하기 위해 Upsilon 중간자(5S) 공명에서, 그리고 암흑 물질과 힉스 보손의 증거를 찾기 위해 Upsilon 중간자(1S), Upsilon 중간자(2S) 및 Upsilon 중간자(3S) 공명에서 특별한 실험을 수행했다. Belle이 수집한 Upsilon 중간자(1S), Upsilon 중간자(2S) 및 Upsilon 중간자(5S) 샘플은 세계 최대 규모이다.

Belle 실험에서는 다양한 물리학 연구가 수행되고 있다.

연구 분야	내용
B 중간자의 붕괴에서 나타나는 CP 대칭성 깨짐 연구	CP 대칭성 깨짐을 기술하는 고바야시-마스카와 모형의 정밀 검증을 수행한다.
B 중간자 희귀 붕괴 연구	B 중간자의 붕괴에 간접적으로 기여할 가능성이 있는 새로운 입자를 연구한다.
B 중간자 이외의 D 중간자, 및 τ 렙톤 붕괴 연구	B 팩토리에서는 B 중간자 외에도 다양한 입자가 발생한다. 이러한 붕괴를 자세히 연구한다.
새로운 하드론 상태 생성 연구	4개의 쿼크로 구성된 새로운 입자, 5개의 쿼크로 구성된 펜타쿼크 등.
2광자 생성 과정 연구	광자 구조 함수 연구 등.

이러한 연구 성과는 경쟁 상대인 BaBar 실험의 성과와 함께 공표되고 있다.

6. 로고

벨 실험의 로고는 파란색 배경에 "B" 문자가 그려져 있다. 이 "B"는 벨 실험에서 연구 대상이 '''B 중간자'''임을 나타낸다. 또한, "B" 문자를 가로로 눕히면 "e"와 "e"를 좌우 반전시킨 문자로 구성되어 있음을 알 수 있다. 이것들은 전자와 양전자(전자의 반입자)를 나타내며, B 중간자가 전자와 양전자의 충돌로부터 생성되는 모습을 표현하고 있다. B 아래에 쓰여진 BELLE은 벨 실험의 그룹명이다. 하지만, 로고가 벨 실험 초기에 제작된 탓에 이 표기는 정확하지 않다. 벨 실험의 올바른 표기는 BELLE이 아닌 Belle이다.

7. B-Lab (비-랩)

B-Lab(비-랩)은 새로운 소립자 발견을 위한 공개 데이터 분석 프로그램이다. 주요 대상은 고등학생이다. B-Lab에 참여하면 고에너지 가속기 연구 기구의 스탭 지도하에 벨 실험에서 수집된 실험 데이터를 다루고 분석할 수 있다. 이 프로그램을 통해 새로운 입자가 발견될 경우, 발견자의 이름이 벨 실험의 측정기에 명판으로 새겨질 예정이다(하지만 신입자 발견 보고는 아직 없다). 분석은 윈도우에서 진행하며, 분석 프로그램에는 소립자 물리학 분야에서 일반적인 분석 프레임워크 ROOT가 사용된다.

8. Belle Plus

벨 플러스(Belle Plus)는 매년 7월 말부터 8월 초까지 전국 고등학생을 대상으로 열리는 소립자 과학 캠프이다. 벨 연구자들이 수행하는 연구 활동을 일반 고등학생들이 체험할 수 있도록 소프트웨어 코스와 하드웨어 코스가 마련되어 있다.

참조

_[1] 논문 The Physics of the B Factories 2014-11-01
_[2] 웹사이트 KEK:PRESS Release (KEKB upgrade plan has been approved) http://legacy.kek.jp[...] 2010-01-01
_[3] 웹사이트 Belle II https://www.belle2.o[...] 2017-04-28
_[4] 웹사이트 SuperKEKB http://www-superkekb[...] 2017-04-30
_[5] 논문 Belle II Technical Design Report 2010-11-01
_[6] 웹사이트 Letter of intent for a study of CP violation in B meson decays http://inspirehep.ne[...] 1994-01-01
_[7] 논문 Observation of Large CP Violation in the Neutral B Meson System 2001-08-14
_[8] 논문 A measurement of the branching fraction for the inclusive B→Xsγ decays with the Belle detector 2001-07-05
_[9] 논문 Observation of the Decay B → K l + l −
_[10] 논문 Observation of B → K * ℓ + ℓ − 2003-12-24
_[11] 논문 Observation of Large C P Violation and Evidence for Direct C P Violation in B 0 → π + π − Decays 2004-07-06
_[12] 논문 Evidence for Direct C P Violation in B 0 → K + π − Decays 2004-11-05
_[13] 논문 Observation of b → d γ and Determination of {{!}} V t d / V t s {{!}} 2006-06-09
_[14] 논문 Evidence of the Purely Leptonic Decay B − → τ − ν ¯ τ 2006-12-22
_[15] 논문 Observation of a Narrow Charmoniumlike State in Exclusive B ± → K ± π + π − J / ψ Decays 2003-12-23
_[16] 간행물 Belle実験がＢ中間子の「量子もつれ」を観測 https://www2.kek.jp/[...] 高エネルギー加速器研究機構 2021-07-30
_[17] 서적 The Physics of the B Factories Springer

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