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11. A Study of Dark Matter at Electron-Positron Colliders using High Performance Computing / Kihong Park ; Kihyeon Cho [BELLE2-MTHESIS-2021-067] Presented on 02 06 2021 MSc
2021
UST/KISTI / Daejeon, Korea
Even if the Standard Model (SM) describing particles that constitutes the universe and its interactions is well established, the SM cannot explain dark matter. [...]
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12. Calibration of aerogel ring-imaging Cherenkov detector in Belle II spectrometer / Manca Mrvar [BELLE2-PTHESIS-2021-014] Presented on 10 01 2019 PhD
2019
University of Ljubljana / Ljubljana, Slovenia
The Aerogel Ring-Imaging Cherenkov (ARICH) detector provides a charged particle identification in the endcap region of the Belle II spectrometer at the SuperKEKB asymmetric-energy e + e − collider in Tsukuba, Japan. [...]
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13. FPGA-based Self-repairing Digital Circuits Design for the Belle II Experiment / Sara Massarotti ; Raffaele Giordano [BELLE2-MTHESIS-2021-066] Presented on 17 02 2021 MSc
2021
University of Naples "Federico II" / Naples (Italy)
Belle II is a High-Energy Physics (HEP) experiment designed for measurements in the heavy flavor sector of the Standard Model (SM) and for New Physics (NP) searches. [...]
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14. Track selection optimisation for τ studies at Belle II / Robin Leboucher ; Justine Serrano [BELLE2-MTHESIS-2021-065] Presented on 01 07 2020 MSc
2020
Centre de Physique des Particules de Marseille / Marseille, France
Being forbidden in the Standard Model, lepton flavour violating decays appears to be a good probe for searching physics beyond the standard model. [...]
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15. Search for B -> K(*)νν decays in the Belle II experiment / Güney Polat ; Isabelle Ripp-Baudot [BELLE2-MTHESIS-2021-064] Presented on 21 06 2019 MSc
2019
IPHC / Strasbourg
The B -> K(*)νν decay channel, never discovered to this day, is actively sought in the Belle II experiment: its branching ratio is in the order of magnitude of 10^(−6) and could be significantly changed if new physics occurred in the decay process. [...]
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16. Belle II 実験 Aerogel RICH 用 読み出し回路の動作および量産試験 / Tetsuya Kobayashi ; Yosuke Yusa [BELLE2-MTHESIS-2021-063] Presented on 09 02 2016 MSc
2016
Niiata University / Niigata
素粒子物理学は物質を構成する基本粒子とその間に作用する力を研究対象とする物理学の一分野 である。標準模型の詳細な検証や、標準模型を超える新物理探索を目的として世界各地でさまざま な実験が行われている。その中で Belle 実験は 1999 年~2010 年に茨城県つくば市にある KEK(高 エネルギー加速器研究機構) において行われた電子・陽電子非対称衝突型加速器実験である。 円形加速器 KEKB によって B 中間子を大量に生成し、Belle 検出器を用いてその崩壊過程を精 密に測定することで CP 対称性の破れの検証を始め素粒子物理学における数多くの実験成果を上げ た。特に B 中間子系における CP 対称性の破れの観測は小林・益川理論を実験的に立証し、2008 年ノーベル物理学賞受賞への貢献を果たした。また、新粒子が寄与するような B 中間子稀崩壊過 程の研究なども行われたが、Belle 実験で得られた統計量では標準模型を超える物理事象の発見ま では至らず、いくつかの兆候を得るにとどまった。そこでより精密な測定を十分な統計量を用い て行うために Belle 実験の後継実験として Belle II 実験が計画された。 Belle II 実験では KEKB 加速器から SuperKEKB 加速器への高性能化と、Belle 検出器から Belle II 検出器への改良を行う。加速器アップグレードにより従来の 40 倍となるピークルミノシティを 実現し、最終的には Belle 実験の約 50 倍となる積分ルミノシティで標準模型を超えた新物理事象 の探索を行う。2017 年実験開始に向けて加速器及び検出器のアップグレードが進行している。 Belle II 検出器はさまざまな目的や役割をもつ検出器から構成された複合型検出器である。Aerogel Ring Imaging Cherenkov 検出器 (A-RICH) は Endcap と呼ばれる領域での粒子識別を行う検出器 であり、Belle II 実験から新たに導入される。A-RICH では B 中間子崩壊過程再構成において重 要な荷電 K 中間子と π 中間子を識別する役割を担い、Belle 実験では達成できなかった単一検出 器による広い運動量領域 0.5 GeV/c < p < 4.0 GeV/c での高い K/π 識別能力を目指す。その目標 を限られた検出器スペースで実現するため、リングイメージ型 Cherenkov 光検出器を採用した。 A-RICH は Cherenkov 光の輻射体であるシリカエアロゲルと 144 チャンネルピクセル型光検出器 Hybrid Avalanche Photo Detector (HAPD)、および専用の読み出し回路システムによって構成さ れる。 識別原理は、まず荷電粒子がエアロゲルを通過した際に放射状に発生する Cherenkov 光を HAPD によりリングイメージとして検出する。リング半径は粒子質量に相関があるためその半径差から 種類を判断できる。HAPD は 420 台使用されるため、検出器全体の信号読み出しチャンネル数は 合計 6 万チャンネルに及ぶ。そのため、読み出しシステムには多チャンネルの同時読み出しが可 能で、また微弱な Cherenkov 光の信号をもれなく捉えられるようにチャンネル毎の単光子検出を 実現する低雑音、高利得の信号処理回路が求められる。さらに読み出しシステムに与えられた設 置領域はわずか 50 mm であり、回路のサイズをコンパクトに抑えなければならない。それらの要 求を満たすために A-RICH グループでは Front-end board (FE board) と Merger board の 2 種類 の読み出し回路を独自に開発した。 FE board は HAPD 1 台に対して 1 台が接続され、集積回路である Application Specific Inte- grated Circuit (ASIC) と Field-Programmable Gate Array (FPGA) を搭載している。ASIC はア ナログ信号処理及び、ヒットデータの生成を行う。FPGA は ASIC の制御と後段の読み出し回路 へデータを転送する役割を担う。Merger board には 6 台の FE board が接続され、ヒットデータ の収集・圧縮と Belle II データ収集システムへの転送を行う。また、データ読み出しに必要なトリ ガー・クロック信号の供給や接続された FE board のコントロールなどの役割を担う。これら 2 種 類の読み出し回路は最終的な仕様が決定し、実機に使用される FE board 420 台、Merger board 72 台の量産および性能評価が行われる。 本論文では A-RICH 専用読み出し回路の量産およびその動作試験に関して報告する。 読み出しシステム動作確認として最終版 FE board、Merger board を用いたダミーデータ読み 出し試験を行う。Belle II 実験ではルミノシティの向上により物理事象が高レートで起きるため検 出器は Belle II トリガーシステムのレート耐性条件を満たし、データを読み出すことが要求され る。そこで想定される高レートトリガーを Merger board に入力し、データ読み出しを行うこと で A-RICH 読み出しシステムの性能が要求を満たしているか確認した。また、Merger board のス ローコントロールとデータ読み出し確認のために HAPD を接続し単光子検出を行った。 実機に使用される最終版 Merger board は 2015 年 12 月に量産が完了し、性能評価の必要があ る。そこで仕様確認のために回路動作確認用の検査システムを開発し、全 80 台の性能検査を行っ た。Merger board に搭載された各コンポーネントの動作テストを行い、実機に使用する 72 台の 選定を行う。 Belle II 実験では共通のデータ収集システムが使われ、その仕様に合わせた読み出し回路の動作 確認及び読み出しシステムの構築が必要である。そこで Belle II DAQ システムを用いた Merger board のスローコントロール、データ取得試験を行った。Merger board、FE board 1 台を利用し たデータ読み出しテストを行うとともに、FE board 複数台をつないだ際の読み出しエラー改善を 行うことで、Belle II 実験本番に向けた A-RICH DAQ システムの開発を行った。
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17. Belle II 実験用 粒子識別装置 Aerogel RICH における Cherenkov 放射角分布のバックグラウンド解析 / Ryosuke Kataura ; Yosuke Yusa [BELLE2-MTHESIS-2021-062] Presented on 09 02 2016 MSc
2016
Niigata University / Niigata
1999 年から 2010 年の間に茨城県つくば市の高エネルギー加速器研究機構 (KEK) で行われてい た Belle 実験は電子・陽電子非対称エネルギー衝突型加速器実験である。本実験は KEKB 加速器 を用いて大量の B 中間子を生成し、その崩壊過程を Belle 検出器によって観測することで標準理 論の精密測定を行った。この測定により、小林・益川模型の証明に成功し、 また新たなハドロン 共鳴状態の発見など数々の成果を上げられた。一方で、未新物理の寄与を示す標準理論からのず れは有意な信号で観測されておらず、さらなる検証のためにはデータ統計量を増やす必要がある。 そこで KEKB 加速器を SuperKEKB 加速器、Belle 検出器を Belle II 検出器へアップグレード し、標準理論を超える新物理の探索を行う Belle II 実験が、2018 年 開始に向け準備が進められて いる。 Belle II 検出器は複数の副検出器から構成されており、そのうち荷電粒子の識別を行うものとし て我々は Aerogel RICH (ARICH) の開発を行っている。Belle 検出器で同様の役割を担っていた Aerogel Cherenkov Counter は空間的制約のため 2.0 GeV/c までの低運動量領域しか識別が行え なかった。検出器を高度化するにあたり、これまで識別できていなかった高運動量領域でも粒子 識別可能な検出器として ARICH を開発するに至った。 ARICH は荷電粒子が輻射体を通過することで放射される Cherenkov 光を光検出器によりリン グイメージとして観測し、ドリフトチェンバー等の他の検出器から得られる飛跡情報を併せて、粒 子質量に相関のある Cherenkov 放射角を算出し粒子識別を行う。ARICH の主な構成要素として、 輻射体であるシリカエアロゲル、半導体光検出器 Hybrid Avalanche Photo-Detector (HAPD)、 HAPD 専用読み出しシステムがある。HAPD は 5mm 程度の位置分解能をもち、1 光子検出が可能 である特徴をもつ。これらを用いて ARICH では主に荷電 K/π 中間子の識別を行い、0.5 GeV/c から 4.0 GeV/c の運動量領域に対して有意度 4σ 以上の識別精度を目標としている。 ARICH に使用する各構成要素はほぼ開発が終了しており、2013 年 5 月にドイツにある DESY 研究所のテストビームライン T24 にてプロトタイプ ARICH を用いた電子ビーム照射試験による 性能評価のためのビームテストを実施した。このセットアップに対して 5 GeV/c の電子ビームを 照射し、再構成により得られた Cherenkov 放射角分布から粒子識別能力を算出すると、目標であ る有意度 4σ 以上の識別能力があることを確認した。 一方でビームテストにより得られた Cherenkov 放射角分布にはバックグラウンド事象が含まれ ていた。バックグラウンド事象の一部は先行研究により調査されており発生原因も予測されてい るが、その分布について正確な理解はされていない。バックグラウンドの正確な理解は識別能力 向上に繋がると期待されるため、本研究では 2013 年に行われたビーム照射試験を Monte Carlo シミュレーションで再現し、測定データと比較することで Cherenkov 放射角のバックグラウンド 事象の検証を行った。 本論文では Cherenkov 放射角分布におけるバックグラウンド事象の検証結果と、特定された バックグラウンド事象について粒子識別尤度計算に用いる確率密度関数を報告する。
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18. シミュレーションを用いた Belle II 実験用 粒子識別装置Aerogel RICH の性能向上の研究 / Kazuya Ogawa ; Yosuke Yusa [BELLE2-MTHESIS-2021-061] Presented on 09 02 2016 MSc
2016
Niigata University / Niigata
現在の素粒子物理学の標準模型では説明できない現象が数多く存在しており, 素粒子の振る舞い を示す完全な理論ではないことを意味している。そこで, 現在知られている素粒子現象を精密に測 定することで, 素粒子のより高度な物理の理解を推し進める実験の 1 つが Belle II 実験である。 Belle II 実験は, 高エネルギー加速器研究機構 (KEK) で 2017 年開始予定の電子陽電子衝突型 加速器実験である。SuperKEKB 加速器を用いて電子と陽電子を加速, 衝突させることで生成し ̄ そこで, 広い運動量領域において高精度な K± 中間子と π± 中間子の識別を行う Aerogel Ring Imaging Cherenkov 検出器 (A-RICH) が考案され, 開発を我々のグループが行っている。A-RICH は輻射体であるエアロゲルと pixel 型半導体光検出器である Hybrid Avalanche Photo Detector (HAPD) の 2 つで構成されており, 実機は磁場中で使用されるため, 磁場中でも動作可能なもの を使用している。識別原理は, 荷電粒子がエアロゲルを通過する際に放出するチェレンコフ光を HAPD でリングイメージとして検出し, 光の放射角を測定することで粒子識別を行うというもの である。 本研究の目的は, A-RICH から π± 中間子と K± 中間子の識別能力を最大限引き出すことであ る。A-RICH に HAPD は 420 個使用されるが, HAPD は開発段階の為, 生産の歩留まりがあまり 良く無く, 性能に大きなばらつきが存在する。そこで, まず, 量産された HAPD に問題が無いか調 査し, 個体差を理解した上で, HAPD の性能の個体差を考慮した HAPD の配置の最適化を行い, 識別能力を最大限引き出すこと目指す。 最初に, 量産された HAPD の個々の性能について調査を行い, 各 HAPD のパラメータを測定 し, 良品の選定を行った。全数調査での測定内容は, 暗電流とノイズ量, レーザーを照射した際の 照射位置におけるヒット分布と総増幅率, ランプの光を HAPD の有効面積内に照射した際の量子 効率の 5 つである。浜松ホトニクスでもリーク電流値, ノイズ量, 総増幅率, 量子効率の測定が行 われており, 双方の測定結果を比較することで, 測定結果が信頼できるものか確かめた。 磁場中において HAPD の性能が変化することが先行研究から知られていたので, 磁場中での性 能を理解し A-RICH の粒子識別能力の向上に活かすために磁場中での測定も担当した。一部の HAPD で, 出力信号の中に信号とは関係ない巨大なパルスが出力することが判明した。このパル スの出力頻度は個々の HAPD ごとに大きく異なることが判明したので, 実環境で使用した際に問 題が無く動作するか調べる為に, 全 HAPD のパルスの出力頻度を確認した。 以上のように実際の実験環境における HAPD の性能を理解した上で, HAPD の選び方と並べ 方の判断基準を考える為に, シミュレーションを用いて粒子識別能力に最も影響がある HAPD の パラメータについて調査した。測定したパラメータの内, 粒子識別能力に直接影響を与える不良 pixel 数と量子効率を変化させシミュレーションを行った結果として, HAPD の量子効率が粒子識 別能力に大きく関係していることを明らかにした。 量子効率が粒子識別能力に最も影響を与えるパラメータということから全数調査によって得ら れた量子効率の分布を元に HAPD の配置パターンを用意し, シミュレーションの結果から識別能 力が最も高くなる配置パターンの傾向を決定した。 た B − B 中間子対の崩壊を Belle II 測定器で観測する。B 中間子の崩壊には終状態の K 中間 子を π 中間子と入れ替えた崩壊が多々存在するために (例: B → Kπ と B → ππ, B → DKππ と B → Dπππ), Belle II 実験において, π± 中間子と K± 中間子の識別は物理現象の精密測定に不可 欠なものの 1 つである。また, B 中間子の崩壊の終状態に表れる粒子の数によって, K/π 中間子 の持つ運動量も様々である。
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19. BelleII実験におけるSilicon Vertex Detector(SVD)製作に関する研究 / Yoshiaki Seino [BELLE2-MTHESIS-2021-060] Presented on 23 01 2015 MSc
2015
Niigata University / Niigata city
 本論文ではBelleII実験で使用するストリップ型崩壊点検出器である Silicon Vertex Detector(SVD)の最外層ラダー(L6)の製作に関する研究について述べる。  1999-2010年に日本の茨城県つくば市にある高エネルギー加速器研究機構(KEK)で電子・陽電子非対称衝突型加速器実験であるBelle実験が行われた。Belle実験では世界最高ルミノシティとなる2.1×10^{34}cm^{−2}s^{−1}を達成し、約10年の稼働期間で1000fb^{−1}を超える世界最大のデータを収集した。そしてこの高統計量のデータを用いて、多くの実験成果を上げてきた。特にB中間子の精密な寿命測定によるCP対称性の破れの証明は2008年にノーベル物理学賞を受賞した小林・益川理論の実験的根拠にもなった。またその高統計量のおかげで新粒子の発見も相次ぎ、中でも新種のハドロン共鳴状態(エキゾチックハドロン)と思われる粒子群の発見は 新たな学術領域を開拓しつつある。しかしその一方で素粒子標準理論を超えた新物理についての決定的な発見はなく、手がかりと見られる測定結果もいくつかあったがBelle実験の統計量をもってしても統計誤差が大きく判断は難しかった。そのため新物理の測定を可能とする圧倒的統計量のデータを収集するためにBelle実験の後継実験であるBelleII実験が提案された。  BelleII実験では加速器の高性能化とそれに対応した測定器の改良及び高度化でBelle実験の約40倍となる80×10^{34}cm^{−2}s^{−1}のルミノシティを実現し、最終的には約10年の稼働期間においてBelle実験の約50倍となるデータを蓄積する計画である。BelleII実験の稼働開始は2017年を予定しており、現在は加速器と各種測定器のアップグレード中である。その中でSVDはBelleII検出器において崩壊点検出を担う装置であり、本論文では日本を中心としたグループ(製作拠点:東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU))が担当している最外層のラダー(L6)の量産(予備を含め19本)に向けた研究について述べる。  量産したラダーの品質はBelleII実験における解析の精度を大きく左右する。実験で要求される品質のラダーを安定的に量産するためには高いワイヤーボンディングのYieldとセンサーの位置精度を保つ必要がある。そのため本研究では量産時において実現可能性が十分に担保された再現性の高い組み立て工程を研究し、確立した手法によって試作ラダーを製作した。そしてその試作ラダーにおいて要求される品質が達成できることを確認した。
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20. Development of Electrical Quality Assurance for Silicon Vertex Detector in Belle II experiment / Junya Sasaki ; Hiroaki Aihara [BELLE2-MTHESIS-2021-059] Presented on 02 02 2015 MSc
2015
University of Tokyo / Tokyo
Belle II experiment is the upgrade of Belle experiment. [...]
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