INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Gli esperimenti di prima generazione alle “fattorie” di mesoni B, Babar e Belle, iniziarono a prendere dati nel 1999 rispettivamente ai collisionatori e+e– asimmetrici PEP II a SLAC (Stanford, USA) e KEKB a KEK (Tsukuba, Japan). Entro due anni, entrambi gli esperimenti ottennero prove convincenti della violazione di CP nel decadimento dei mesoni B, una scoperta destinata a valere la condivisione del premio Nobel 2008 in Fisica ai teorici Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa.
Negli anni successivi i due esperimenti condussero un dettagliato studio del settore del flavor del Modello Standard, confermando il meccanismo di mixing dei quark di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa; approfondirono lo studio delle proprietà di decadimento dei mesoni B, come pure dei mesoni con charm e dei leptoni tau; scoprirono nuove particelle, alcune previste dalla teoria, come l’ƞb, altre inattese e difficili da spiegare, come gli stati XYZ.
A seguito del grande successo di Babar e Belle, il governo giapponese approvò nel 2010 il progetto SuperKEKB, un collisionatore di luminosità 8 x 1035/cm2/s, circa 40 volte maggiore del record ottenuto da KEKB. La maggior parte dell’incremento di luminosità è dovuto alla riduzione della dimensione dei fasci al punto di interazione, grazie al meccanismo noto come nanobeam, ideato da Pantaleo Raimondi ai Laboratori Nazionali di Frascati per il progetto SuperB e provato con successo a Dafne.
L’esperimento Belle II, progettato per prendere dati a SuperKEKB, mira a ottenere una precisione altissima in un gran numero di misure nel settore del flavor. In un decennio Belle II dovrebbe essere in grado di registrare 50 miliardi di eventi di produzione di coppie di mesoni B-anti B, in condizioni di grande pulizia dal fondo. Questo permetterà di scoprire indizi di nuova fisica attraverso reazioni soppresse nel Modello Standard e di effettuare una verifica di possibili deviazioni osservate da LHCb. Belle II sarà inoltre un protagonista anche nel campo della ricerca di materia oscura, particelle ALPS (Axion-Like ParticleS), stati esotici del quarkonio, e altro ancora.
La luminosità così elevata della macchina pone il rivelatore di fronte a grossi problemi per via dell’aumento del fondo e della velocità di acquisizione. Per poter prendere dati in queste condizioni, le componenti di Belle sono state sostituite o migliorate: il risultato è Belle II. Il rivelatore di vertice è nuovo, come pure la camera per il tracciamento centrale; al sistema di identificazione di particelle è stato aggiunto il TOP, un rivelatore basato sul “tempo di propagazione”. La parte centrale del calorimetro elettromagnetico (ECL), costituito da cristalli di ioduro di cesio, drogato con tallio, è stata equipaggiata con un nuovo sistema di lettura; i rivelatori a vetro RPC del rivelatore di KL e muoni (KLM) sono stati sostituiti, tranne che nella parte centrale esterna, con contatori a scintillazione. I sistemi di trigger e di acquisizione dati sono stati completamente ridisegnati, in considerazione dell’aumento di fondo e di velocità di acquisizione; il trigger è stato modificato per permettere anche la possibilità di registrare eventi in cui l’unico prodotto “visibile” è un fotone, caratteristica necessaria per la rivelazione di particelle di materia oscura.
L’acceleratore SuperKEKB ha iniziato con successo una prima fase di test nel 2017 (Fase 1). Il rivelatore Belle II è stato posizionato nel punto di interazione nell’aprile 2017 e tutti i sotto-rivelatori, eccetto quelli di vertice, sono stati istallati entro l’autunno nello stesso anno. Il commissioning di acceleratore e rivelatore (Fase 2) è iniziato a marzo del 2018. La mattina del 26 aprile 2018 Belle II ha registrato i primi eventi di collisione elettrone-positrone. La presa dati con il rivelatore completo (Fase 3) è partita nel marzo 2019. A fine luglio la macchina aveva raggiunto la luminosità di picco di 1.2×1034/cm2/s e Belle II aveva accumulato dati corrispondenti a una luminosità integrata di circa 6 fb-1. I primi risultati sono stati presentati alla Lepton Photon e alle altre conferenze estive.
Presentemente è in corso la presa dati, con il goal di ottenere 200 fb-1 nell’estate 2020.
La collaborazione Belle II
La collaborazione Belle II è presente su 4 continenti, con circa un migliaio di fisici, ingegneri e tecnici da 116 istituzioni in 23 paesi; i paesi maggiormente rappresentati sono Giappone, Germania, Stati Uniti e Italia. L’INFN partecipa con circa 80 unità da 8 sezioni e dai Laboratori Nazionali di Frascati.
Le attività del gruppo di Frascati
Il gruppo di Frascati partecipa a Belle II dal 2013; all’inizio si è dedicato a studi di ricerca e sviluppo per un possibile upgrade del calorimetro elettromagnetico di cui è fatto l’end cap anteriore mediante nuovi cristalli e/o fotorivelatori. Nel 2016 Frascati è entrato a far parte del gruppo KLM e ha progettato, costruito e commissionato le schede di lettura degli RPC; attualmente è coinvolto nella raccolta dati del KLM, nell’elaborazione del software per l’identificazione dei KL, nonché nell’analisi di decadimenti dei mesoni B che includono KL, in particolare B0J/ψ KL.
Altri riferimenti:
Pagina web pubblica di Belle II: https://confluence.desy.de/display/BI/Belle+II+Public+WebHome
Belle II-Italia: https://web.infn.it/Belle-II/index.php/divulgazione