LHCb эксперимент - LHCb experiment

Координаты : 46 ° 14′28 ″ с.ш., 06 ° 05′49 ″ в.д. / 46,24111 ° с. Ш. 6,09694 ° в. / 46.24111; 6,09694

Большой адронный коллайдер
(LHC)

LHC эксперименты
АТЛАС	Аппарат с тороидальным LHC
CMS	Компактный мюонный соленоид
LHCb	БАК-красота
Алиса	Эксперимент на большом ионном коллайдере
ТОТЕМ	Полное сечение, упругое рассеяние и дифракционная диссоциация.
LHCf	LHC-вперед
MoEDAL	Детектор монополей и экзотики на LHC
ФАЗЕР	Эксперимент по поиску ForwArd
Предускорители LHC
p и Pb	Линейные ускорители для протонов (линейный ускоритель 4) и свинца (ЛУ 3)
(не отмечен)	Протонный синхротронный ускоритель
PS	Протонный синхротрон
СПС	Супер протонный синхротрон

LHCb ( Large Hadron Collider красота ) эксперимент является одним из восьми частиц экспериментов детектор физики сбора данных на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе . LHCb - это специализированный эксперимент по b-физике , разработанный в первую очередь для измерения параметров CP-нарушения во взаимодействиях b- адронов (тяжелых частиц, содержащих нижний кварк ). Такие исследования могут помочь объяснить асимметрию материи и антивещества Вселенной. Детектор также может выполнять измерения сечений образования, экзотической адронной спектроскопии, физики очарования и электрослабой физики в передней области. Коллаборация LHCb, которая построила, оперирует и анализирует данные эксперимента, состоит примерно из 1260 человек из 74 научных институтов, представляющих 16 стран. Крис Паркс сменил 1 июля 2020 года на должности представителя по сотрудничеству Джованни Пассалева (пресс-секретарь 2017-2020 гг.). Эксперимент проводится в точке 8 туннеля LHC недалеко от Ферне-Вольтера , Франция, сразу за границей с Женевой . (Маленький) эксперимент MoEDAL находится в той же пещере.

Физические цели

Эксперимент имеет обширную физическую программу, охватывающую многие важные аспекты физики тяжелого вкуса ( красоты и очарования), электрослабой и квантовой хромодинамики (КХД). Было идентифицировано шесть ключевых измерений с участием B-мезонов. Они описаны в дорожной карте, которая сформировала основную физическую программу для первого высокоэнергетического LHC, работающего в 2010–2012 годах. Они включают:

• Измерение степени разветвления редкого распада B _s → μ ⁺ μ ^- .
• Измерение прямой-обратной асимметрии мюонной пары в изменяющем аромат нейтральном токе B _d → K ^* μ ⁺ μ ^- распад. Такой нейтральный ток, изменяющий аромат, не может происходить на уровне дерева в Стандартной модели физики элементарных частиц, а возникает только через прямоугольные и петлевые диаграммы Фейнмана; свойства распада могут быть сильно изменены новой физикой.
• Измерение фазы нарушения CP в распаде B _s → J / ψ φ, вызванной интерференцией распадов с осцилляциями B _s и без них . Эта фаза является одной из наблюдаемых CP с наименьшей теоретической неопределенностью в Стандартной модели и может быть значительно изменена новой физикой.
• Измерительные свойства радиационных распадов B, т.е. распад B-мезона с фотонами в конечных состояниях. В частности, это снова спады нейтрального тока с изменением вкуса .
• Трехуровневое определение угла треугольника унитарности γ.
• Бесчеловечный заряженный двухчастичный B распадается.

Детектор LHCb

Тот факт, что два b-адрона преимущественно рождаются в одном переднем конусе, используется в схеме детектора LHCb. Детектор LHCb представляет собой одноплечий передний спектрометр с полярным угловым охватом от 10 до 300 миллирадиан (мрад) по горизонтали и 250 мрад в вертикальной плоскости. Асимметрия между горизонтальной и вертикальной плоскости определяется большим дипольным магнитом с основным компонентом поля в вертикальном направлении.

Подсистемы

Вершинный локатор (VELO) построен вокруг области взаимодействия протонов. Он используется для измерения траекторий частиц вблизи точки взаимодействия, чтобы точно разделить первичные и вторичные вершины.

Детектор работает на расстоянии 7 миллиметров (0,28 дюйма) от луча LHC. Это подразумевает огромный поток частиц; VELO был разработан, чтобы выдерживать интегральную плотность энергии более 10 ¹⁴  п / см ² в год в течение примерно трех лет. Детектор работает в вакууме и охлаждается приблизительно до -25 ° C (-13 ° F) с помощью двухфазной системы CO ₂ . Данные детектора VELO усиливаются и считываются ASIC Beetle .

Детектор РИЧ-1 ( кольцевой черенковский детектор ) расположен сразу после вершинного детектора. Он используется для идентификации треков с низким импульсом .

Основная система слежения размещается до и после дипольного магнита. Он используется для восстановления траекторий заряженных частиц и измерения их импульсов. Трекер состоит из трех субдетекторов:

• Tracker Turicensis, кремниевый полосовой детектор, расположенный перед дипольным магнитом LHCb.
• Внешний трекер. Детектор на основе соломенной трубки, расположенный после дипольного магнита, закрывающий внешнюю часть приемной части детектора.
• Inner Tracker, детектор на основе кремниевой ленты, расположенный после дипольного магнита, закрывающий внутреннюю часть приемного устройства детектора.

Следом за системой слежения идет РИЧ-2. Это позволяет идентифицировать тип частиц треков с большим импульсом.

В электромагнитных и адронных калориметров обеспечивают измерения энергии от электронов , фотонов и адронов . Эти измерения используются на уровне запуска для идентификации частиц с большим поперечным импульсом (частицы с высоким содержанием Pt).

Система мюонов используется для идентификации и запуска на мюонов в событиях.

Обновление LHCb (2019–2021 гг.)

В конце 2018 года LHC был остановлен на модернизацию, а перезапуск в настоящее время запланирован на начало 2022 года. Что касается детектора LHCb, то почти все субдетекторы должны быть модернизированы или заменены. Он получит полностью новую систему слежения, состоящую из модернизированного локатора вершин, восходящего трекера (UT) и сцинтилляционного оптоволоконного трекера (SciFi). Детекторы RICH также будут обновлены, как и вся электроника детектора. Однако наиболее важным изменением является переключение на полностью программный триггер эксперимента, что означает, что каждое зарегистрированное столкновение будет анализироваться сложными программами без промежуточного этапа аппаратной фильтрации (который в прошлом считался узким местом).

Результаты

Во время протон-протонного сеанса 2011 г. LHCb зарегистрировал интегральную светимость 1 фб ^-1 при энергии столкновения 7 ТэВ. В 2012 г. было собрано около 2 фбн ^-1 при энергии 8 ТэВ. В течение 2015-2018 гг. (Прогон 2 LHC) было собрано около 6 фб ^-1 при энергии центра масс 13 ТэВ. Кроме того, были отобраны небольшие образцы при столкновениях протонов и свинца, свинца и ксенона с ксеноном. Конструкция LHCb также позволила изучить столкновения пучков частиц с газом (гелием или неоном), введенным внутрь объема VELO, что сделало его похожим на эксперимент с неподвижной мишенью; эту установку обычно называют «СМОГ». Эти наборы данных позволяют совместной работе выполнять физическую программу прецизионных испытаний Стандартной модели с множеством дополнительных измерений. По состоянию на 2021 год LHCb опубликовал более 500 научных работ.

Адронная спектроскопия

LHCb предназначен для изучения красоты и очарования адронов . В дополнение к прецизионным исследованиям известных частиц, таких как загадочный X (3872) , с помощью эксперимента был обнаружен ряд новых адронов. По состоянию на 2021 год, все четыре эксперимента на LHC обнаружили в общей сложности около 60 новых адронов, подавляющее большинство из которых было произведено на LHCb. В 2015 г. анализ распада нижних лямбда-барионов (Λ⁰
_б) в эксперименте LHCb показал очевидное существование пентакварков , что было описано как «случайное» открытие. Другие примечательные открытия - это открытие «дважды очарованного» бариона в 2017 году, когда он стал первым известным барионом с двумя тяжелыми кварками; и полностью очарованный тетракварк в 2020 году, состоящий из двух очаровательных кварков и двух очаровательных антикварков. ${\ Displaystyle \ Xi _ {\ rm {cc}} ^ {++}}$${\ displaystyle \ mathrm {T} _ {\ rm {cccc}}}$

Адроны открыты на LHCb. Термин «возбужденный» для барионов и мезонов означает существование состояния меньшей массы с таким же содержанием кварков и изоспином.

	Содержание кварка	Имя частицы	Тип	Год открытия
1	${\ displaystyle {\ rm {bud}}}$	${\ displaystyle \ Lambda _ {\ rm {b}} (5912) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2012 г.
2	${\ displaystyle {\ rm {bud}}}$	${\ displaystyle \ Lambda _ {\ rm {b}} (5920) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2012 г.
3	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {u}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {D_ {J} (2580) ^ {0}}}}$	Возбужденный мезон	2013
4	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {u}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {D_ {J} (2740) ^ {0}}}}$	Возбужденный мезон	2013
5	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {d}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {D_ {J} ^ {*} (2760) ^ {+}}}}$	Возбужденный мезон	2013
6	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {u}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {D_ {J} (3000) ^ {0}}}}$	Возбужденный мезон	2013
7	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {u}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {D_ {J} ^ {*} (3000) ^ {0}}}}$	Возбужденный мезон	2013
8	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {d}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {D_ {J} ^ {*} (3000) ^ {+}}}}$	Возбужденный мезон	2013
9	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {s}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {D_ {s1} ^ {*} (2860) ^ {+}}}}$	Возбужденный мезон	2014 г.
10	${\ displaystyle {\ rm {bsd}}}$	${\ Displaystyle \ Xi _ {\ rm {b}} ^ {'-}}$	Возбужденный барион	2014 г.
11	${\ displaystyle {\ rm {bsd}}}$	${\ Displaystyle \ Xi _ {\ rm {b}} ^ {* -}}$	Возбужденный барион	2014 г.
12	${\ displaystyle {\ rm {{\ bar {b}} u}}}$	${\ displaystyle {\ rm {B_ {J} (5840) ^ {+}}}}$	Возбужденный мезон	2015 г.
13	${\ displaystyle {\ rm {{\ bar {b}} d}}}$	${\ displaystyle {\ rm {B_ {J} (5840) ^ {0}}}}$	Возбужденный мезон	2015 г.
14	${\ displaystyle {\ rm {{\ bar {b}} u}}}$	${\ displaystyle {\ rm {B_ {J} (5970) ^ {+}}}}$	Возбужденный мезон	2015 г.
15	${\ displaystyle {\ rm {{\ bar {b}} d}}}$	${\ displaystyle {\ rm {B_ {J} (5970) ^ {+}}}}$	Возбужденный мезон	2015 г.
16	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} uud}}}$	${\ displaystyle {\ rm {P_ {c} (4380) ^ {+}}}}$	Пентакварк	2015 г.
17	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} s {\ bar {s}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {X (4274)}}}$	Тетракварк	2016 г.
18	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} s {\ bar {s}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {X (4500)}}}$	Тетракварк	2016 г.
19	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} s {\ bar {s}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {X (4700)}}}$	Тетракварк	2016 г.
20	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {u}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {D_ {3} ^ {*} (2760) ^ {0}}}}$	Возбужденный мезон	2016 г.
21 год	${\ displaystyle {\ rm {cud}}}$	${\ displaystyle \ Lambda _ {\ rm {c}} (2860) ^ {+}}$	Возбужденный барион	2017 г.
22	${\ displaystyle {\ rm {css}}}$	${\ displaystyle \ Omega _ {\ rm {c}} (3000) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
23	${\ displaystyle {\ rm {css}}}$	${\ displaystyle \ Omega _ {\ rm {c}} (3050) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
24	${\ displaystyle {\ rm {css}}}$	${\ displaystyle \ Omega _ {\ rm {c}} (3066) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
25	${\ displaystyle {\ rm {css}}}$	${\ displaystyle \ Omega _ {\ rm {c}} (3090) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
26	${\ displaystyle {\ rm {css}}}$	${\ displaystyle \ Omega _ {\ rm {c}} (3119) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
27	${\ displaystyle {\ rm {ccu}}}$	${\ Displaystyle \ Xi _ {\ rm {cc}} ^ {++}}$	Барион	2017 г.
28 год	${\ displaystyle {\ rm {bsd}}}$	${\ Displaystyle \ Xi _ {\ rm {b}} (6227) ^ {-}}$	Возбужденный барион	2018 г.
29	${\ displaystyle {\ rm {buu}}}$	${\ Displaystyle \ Sigma _ {\ rm {b}} (6097) ^ {+}}$	Возбужденный барион	2018 г.
30	${\ displaystyle {\ rm {bdd}}}$	${\ displaystyle \ Sigma _ {\ rm {b}} (6097) ^ {-}}$	Возбужденный барион	2018 г.
31 год	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}}}}}$	${\ displaystyle \ psi _ {3} (3842)}$	Возбужденный мезон	2019 г.
32	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} uud}}}$	${\ displaystyle {\ rm {P_ {c} (4312) ^ {+}}}}$	Пентакварк	2019 г.
33	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} uud}}}$	${\ displaystyle {\ rm {P_ {c} (4440) ^ {+}}}}$	Пентакварк	2019 г.
34	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} uud}}}$	${\ displaystyle {\ rm {P_ {c} (4457) ^ {+}}}}$	Пентакварк	2019 г.
35 год	${\ displaystyle {\ rm {bud}}}$	${\ displaystyle \ Lambda _ {\ rm {b}} (6146) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2019 г.
36	${\ displaystyle {\ rm {bud}}}$	${\ displaystyle \ Lambda _ {\ rm {b}} (6152) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2019 г.
37	${\ displaystyle {\ rm {bss}}}$	${\ displaystyle \ Omega _ {\ rm {b}} (6340) ^ {-}}$	Возбужденный барион	2020 г.
38	${\ displaystyle {\ rm {bss}}}$	${\ displaystyle \ Omega _ {\ rm {b}} (6350) ^ {-}}$	Возбужденный барион	2020 г.
39	${\ displaystyle {\ rm {bud}}}$	${\ displaystyle \ Lambda _ {\ rm {b}} (6070) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2020 г.
40	${\ displaystyle {\ rm {csd}}}$	${\ Displaystyle \ Xi _ {\ rm {c}} (2923) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2020 г.
41 год	${\ displaystyle {\ rm {csd}}}$	${\ Displaystyle \ Xi _ {\ rm {c}} (2939) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2020 г.
42	${\ displaystyle {\ rm {cc {\ bar {c}} {\ bar {c}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {T_ {cccc}}}}$	Тетракварк	2020 г.
43 год	${\ displaystyle {\ rm {{\ bar {c}} d {\ bar {s}} u}}}$	${\ displaystyle {\ rm {X_ {0} (2900)}}}$	Тетракварк	2020 г.
44 год	${\ displaystyle {\ rm {{\ bar {c}} d {\ bar {s}} u}}}$	${\ displaystyle {\ rm {X_ {1} (2900)}}}$	Тетракварк	2020 г.
45	${\ displaystyle {\ rm {bsu}}}$	${\ Displaystyle \ Xi _ {\ rm {b}} (6227) ^ {0}}$	Возбужденный барион	2020 г.
46	${\ displaystyle {\ rm {{\ bar {b}} s}}}$	${\ displaystyle {\ rm {B_ {s} (6063) ^ {0}}}}$	Возбужденный мезон	2020 г.
47	${\ displaystyle {\ rm {{\ bar {b}} s}}}$	${\ displaystyle {\ rm {B_ {s} (6114) ^ {0}}}}$	Возбужденный мезон	2020 г.
48	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {s}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {D_ {s0} (2590) ^ {+}}}}$	Возбужденный мезон	2020 г.
49	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} s {\ bar {s}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {X (4630)}}}$	Тетракварк	2021 г.
50	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} s {\ bar {s}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {X (4685)}}}$	Тетракварк	2021 г.
51	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} u {\ bar {s}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {Z_ {cs} (4000) ^ {+}}}}$	Тетракварк	2021 г.
52	${\ displaystyle {\ rm {c {\ bar {c}} u {\ bar {s}}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {Z_ {cs} (4220) ^ {+}}}}$	Тетракварк	2021 г.

Нарушение CP и перемешивание

Изучение нарушения зарядовой четности (CP) в распадах B-мезонов является основной целью эксперимента LHCb. По состоянию на 2021 год измерения LHCb с поразительной точностью подтверждают картину, описываемую треугольником унитарности CKM . Угол треугольника унитарности теперь равен примерно 4 ° и согласуется с косвенными определениями. ${\ Displaystyle \ гамма \, \, (\ альфа _ {3})}$

В 2019 году LHCb объявил об открытии CP-нарушения в распадах очарованных мезонов. Это первый случай, когда CP-нарушение наблюдается в распадах частиц, отличных от каонов или B-мезонов. Скорость наблюдаемой CP-асимметрии находится на верхнем уровне существующих теоретических предсказаний, что вызвало некоторый интерес у теоретиков элементарных частиц относительно возможного влияния физики за пределами Стандартной модели.

В 2020 году LHCb объявил об открытии зависящего от времени CP-нарушения в распадах B _s- мезонов. Частота колебаний B _s- мезонов к его античастице и наоборот была измерена с большой точностью в 2021 году.

Редкие распады

Редкие распады - это моды распада, жестко подавленные в Стандартной модели, что делает их чувствительными к потенциальным эффектам от еще неизвестных физических механизмов.

В 2014 году эксперименты LHCb и CMS опубликовали в журнале Nature совместную статью, в которой было объявлено об открытии очень редкого распада , скорость которого оказалась близкой к предсказаниям Стандартной модели. Это измерение сильно ограничило возможное пространство параметров теорий суперсимметрии, которые предсказывают значительное увеличение скорости. С тех пор LHCb опубликовал несколько статей с более точными измерениями в этом режиме распада. ${\ displaystyle \ mathrm {B} _ {\ rm {s}} ^ {0} \ to \ mu ^ {+} \ mu ^ {-}}$

Аномалии обнаружены в нескольких редких распадах B-мезонов. Самый известный пример так называемой угловой наблюдаемой был обнаружен в распаде , где расхождение между данными и теоретическим предсказанием сохраняется в течение многих лет. Скорости распада нескольких редких распадов также отличаются от теоретических предсказаний, хотя последние имеют значительные погрешности. ${\ displaystyle \ mathrm {P} _ {5} ^ {'}}$${\ Displaystyle \ mathrm {B} ^ {0} \ to \ mathrm {K} ^ {* 0} \ mu ^ {+} \ mu ^ {-}}$

Универсальность вкуса лептона

В Стандартной модели взаимодействия заряженных лептонов (электрона, мюона и тау-лептона) с калибровочными бозонами должны быть идентичными, с единственной разницей, связанной с массами лептонов. Этот постулат получил название «универсальность лептонного вкуса». Как следствие, при распадах b-адронов электроны и мюоны должны образовываться с одинаковой скоростью, и небольшая разница, обусловленная массами лептонов, точно вычисляется.

LHCb обнаружил отклонения от этого прогноза, сравнив скорость распада со скоростью распада и в аналогичных процессах. Однако, поскольку рассматриваемые распады очень редки, необходимо проанализировать более крупный набор данных, чтобы сделать окончательные выводы. ${\ Displaystyle \ mathrm {B} ^ {+} \ to \ mathrm {K} ^ {+} \ mu ^ {+} \ mu ^ {-}}$${\ Displaystyle \ mathrm {B} ^ {+} \ to \ mathrm {K} ^ {+} \ mathrm {e} ^ {+} \ mathrm {e} ^ {-}}$

В марте 2021 года LHCb объявил, что аномалия в универсальности лептонов пересекла порог статистической значимости «3 сигма » , что соответствует значению p, равному 0,1%. Измеренное значение , где символ обозначает вероятность возникновения данного распада, оказалось равным, в то время как Стандартная модель предсказывает, что оно очень близко к единице. ${\ Displaystyle R _ {\ rm {K}} = {\ frac {{\ mathcal {B}} (\ mathrm {B} ^ {+} \ to \ mathrm {K} ^ {+} \ mu ^ {+} \ mu ^ {-})} {{\ mathcal {B}} (\ mathrm {B} ^ {+} \ to \ mathrm {K} ^ {+} \ mathrm {e} ^ {+} \ mathrm {e } ^ {-})}}}$${\ displaystyle {\ mathcal {B}}}$${\ displaystyle 0,846 _ {- 0,041} ^ {+ 0,044}}$

Прочие измерения

LHCb внес свой вклад в исследования квантовой хромодинамики, электрослабой физики и обеспечил измерения поперечных сечений для физики астрономических частиц.

Смотрите также

• B-завод

использованная литература

внешние ссылки

• СМИ, связанные с LHCb, на Викискладе?
• Публичная веб-страница LHCb
• Раздел LHCb с веб-сайта США / LHC
• A. Augusto Alves Jr. et al. (Сотрудничество LHCb) (2008). "Детектор LHCb на LHC" . Журнал приборостроения . 3 (8): S08005. Bibcode : 2008JInst ... 3S8005T . DOI : 10.1088 / 1748-0221 / 3/08 / S08005 . hdl : 10251/54510 . (Полная конструкторская документация)