эксперимент LHCb

Большой адронный коллайдер
(БАК)

План экспериментов БАК и преускорителей.
эксперименты на БАКе
АТЛАС	Тороидальный аппарат БАК
система управления контентом	Компактный мюонный соленоид
LHCb	БАК-красота
АЛИСА	Эксперимент на большом ионном коллайдере
ТОТЕМ	Полное сечение, упругое рассеяние и дифракционная диссоциация
БАКф	LHC-вперед
МОЭДАЛ	Монополь и детектор экзотики на БАКе
ФАЗЫ	эксперимент с прямым поиском
СНД	Детектор рассеяния и нейтрино
Преускорители БАК
р и Pb	Линейные ускорители протонов свинца (Linac 4) и ( Linac 3)
(не отмечено)	Протонный синхротронный ускоритель
ПС	Протонный синхротрон
СПС	Суперпротонный синхротрон

Эксперимент LHCb Большой адронный ( коллайдер красоты ) — это эксперимент по физике элементарных частиц, который собирает данные на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе . LHCb — специализированный эксперимент по b-физике , предназначенный в первую очередь для измерения параметров CP-нарушения во взаимодействиях b- адронов (тяжелых частиц, содержащих донный кварк ). Подобные исследования могут помочь объяснить асимметрию вещества и антивещества во Вселенной. Детектор также способен выполнять измерения сечений образования, экзотической адронной спектроскопии, физики очарования и электрослабой физики в прямой области. В состав сотрудников LHCb, которые создавали, эксплуатировали и анализировали данные эксперимента, входят примерно 1650 человек из 98 научных институтов, представляющих 22 страны. Винченцо Ваньони 1 июля 2023 г. сменил на посту представителя сотрудничества Криса Паркса (представитель на 2020–2023 гг.). Эксперимент расположен в точке 8 туннеля БАК недалеко от Ферни-Вольтера , во Франции прямо на границе с Женевой . (Небольшой) эксперимент MoEDAL находится в той же пещере.

Цели по физике

Эксперимент имеет обширную физическую программу, охватывающую многие важные аспекты физики тяжелых ароматов (как красоты , так и очарования), электрослабой физики и квантовой хромодинамики (КХД). Было идентифицировано шесть ключевых измерений с участием B-мезонов. Они описаны в документе «дорожная карта». которые сформировали основную физическую программу первого высокоэнергетического БАКа, работающего в 2010–2012 годах. Они включают в себя:

• Измерение коэффициента ветвления редких B _s → µ ⁺ м ⁻ разлагаться.
• Измерение асимметрии вперед-назад пары мюонов в нейтральном токе, изменяющем аромат B _d → K ^* м ⁺ м ⁻ разлагаться. Такой нейтральный ток, меняющий вкус, не может произойти на уровне дерева в Стандартной модели физики элементарных частиц, а происходит только через коробчатые и петлевые диаграммы Фейнмана; свойства распада могут быть сильно изменены новой физикой.
• Измерение фазы , нарушающей CP в распаде B _s → J/ψ φ, вызванной интерференцией распадов с B _s осцилляциями и без них . Эта фаза является одной из наблюдаемых CP с наименьшей теоретической неопределенностью в Стандартной модели и может быть существенно модифицирована новой физикой.
• Измерение свойств радиационных распадов B, т.е. распада B-мезона с фотонами в конечных состояниях. В частности, это снова распад нейтрального тока, меняющий вкус .
• Древовидное определение угла треугольника унитарности γ.
• Безобидное заряженное двухчастичное тело B распадается.

Детектор LHCb

Тот факт, что два b-адрона преимущественно рождаются в одном и том же переднем конусе, используется в конструкции детектора LHCb. Детектор LHCb представляет собой одноплечевой передний спектрометр с полярным угловым охватом от 10 до 300 миллирадиан (мрад) в горизонтальной и 250 мрад в вертикальной плоскости. Асимметрия между горизонтальной и вертикальной плоскостями определяется большим дипольным магнитом с основной составляющей поля в вертикальном направлении.

Логотип коллаборации LHCb

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 БАК. Это подразумевает огромный поток частиц; VELO был разработан так, чтобы выдерживать суммарный поток энергии более 10 ¹⁴ п/см ² в год в течение примерно трех лет. Детектор работает в вакууме и охлаждается примерно до -25 °C (-13 °F) с помощью двухфазной системы CO ₂ . Данные детектора VELO усиливаются и считываются ASIC Beetle .

ВУАЛЬ

• 
  Вершинный локатор (VELO) во время построения.
• 
  Один элемент Вело

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

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

• Tracker Turicensis, кремниевый полосковый детектор, расположенный перед дипольным магнитом LHCb.
• Внешний Следопыт. Детектор на основе строу-трубки, расположенный после дипольного магнита, закрывающий внешнюю часть приёмника детектора.
• Inner Tracker, детектор на основе кремниевой полоски, расположенный после дипольного магнита, закрывающий внутреннюю часть приемного детектора.

Следующей системой слежения является RICH-2. Это позволяет идентифицировать тип частиц высокоскоростных треков.

Электромагнитные ​ и адронные калориметры измерять энергию электронов . , фотонов и адронов позволяют Эти измерения используются на триггерном уровне для идентификации частиц с большим поперечным импульсом (частицы с высоким содержанием платины).

Мюонная система используется для идентификации и в событиях запуска мюонов .

Модернизация LHCb (2019–2021 гг.)

В конце 2018 года БАК был остановлен на модернизацию, а перезапуск в настоящее время запланирован на начало 2022 года. Для детектора LHCb почти все субдетекторы подлежат модернизации или замене. Он получит совершенно 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 переход на полностью программный запуск 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 полета в 2011 году LHCb зарегистрировал интегральную светимость 1 фб. ⁻¹ при энергии столкновения 7 ТэВ. В 2012 году около 2 фб ⁻¹ был собран при энергии 8 ТэВ. В течение 2015–2018 гг. (2-й запуск БАКа) около 6 фб. ⁻¹ был собран при энергии центра масс 13 ТэВ. Кроме того, были собраны небольшие образцы при столкновениях протон-свинец, свинец-свинец и ксенон-ксенон. Конструкция LHCb также позволяла изучать столкновения пучков частиц с газом (гелием или неоном), введенным внутрь объема VELO, что делало его похожим на эксперимент с фиксированной мишенью; эту установку обычно называют «СМОГ». Эти наборы данных позволяют совместно выполнять физическую программу прецизионных испытаний Стандартной модели со многими дополнительными измерениями. 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 загадочная X(3872) , в ходе эксперимента был обнаружен ряд новых адронов. По состоянию на 2021 год в ходе всех четырех экспериментов LHC было обнаружено около 60 новых адронов, подавляющее большинство из которых было обнаружено LHCb. В 2015 г. был проведен анализ распада нижних лямбда-барионов (Λ ⁰
_б ) в эксперименте LHCb обнаружено очевидное существование пентакварков , в том, что было описано как «случайное» открытие. Другими примечательными открытиями являются открытия «вдвойне очарованного» бариона. $\Xi _{\rm {cc}}^{++}$ в 2017 году стал первым известным барионом с двумя тяжелыми кварками; и полностью очарованного тетракварка $\mathrm {T} _{\rm {cccc}}$ в 2020 году состоит из двух очаровательных кварков и двух очаровательных антикварков.

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

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

Нарушение CP и смешивание

Исследование нарушения зарядовой четности (CP) при 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 $\gamma \,\,(\alpha _{3})$ треугольника унитарности теперь известен примерно с точностью до 4° и согласуется с косвенными определениями.

В 2019 году LHCb объявил об открытии CP-нарушения при распадах очаровательных мезонов. Впервые CP-нарушение наблюдается при распаде частиц, отличных от каонов или B-мезонов. Скорость наблюдаемой CP-асимметрии находится на верхнем уровне существующих теоретических предсказаний, что вызвало некоторый интерес среди 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 -мезона по отношению к его античастице и наоборот была измерена с большой точностью в 2021 году.

Редкие распады

Редкие распады — это режимы распада, жестко подавляемые в Стандартной модели, что делает их чувствительными к потенциальным эффектам еще неизвестных физических механизмов.

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

Аномалии были обнаружены в нескольких редких распадах B-мезонов. Самый известный пример в так называемом $\mathrm {P} _{5}^{'}$ угловая наблюдаемая была обнаружена при распаде $\mathrm {B} ^{0}\to \mathrm {K} ^{*0}\mu ^{+}\mu ^{-}$, где отклонение между данными и теоретическим прогнозом сохраняется в течение многих лет. Скорости распада некоторых редких распадов также отличаются от теоретических предсказаний, хотя последние имеют значительные неопределенности.

Универсальность вкуса лептона

Смотрите также: Лептон § Универсальность

В Стандартной модели ожидается, что связи заряженных лептонов (электрона, мюона и тау-лептона) с калибровочными бозонами будут идентичными, с той лишь разницей, что они связаны с массами лептонов. Этот постулат получил название «универсальности лептонного аромата». Как следствие, при распаде b-адронов электроны и мюоны должны рождаться с одинаковой скоростью, и небольшая разница, обусловленная массами лептонов, точно поддается расчету.

LHCb обнаружил отклонения от этих предсказаний, сравнивая скорость распада. $\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mu ^{+}\mu ^{-}$ к тому из $\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mathrm {e} ^{+}\mathrm {e} ^{-}$, и в подобных процессах. Однако, поскольку рассматриваемые распады очень редки, необходимо проанализировать больший набор данных, чтобы сделать окончательные выводы.

В марте 2021 года LHCb объявил, что аномалия универсальности лептонов превысила «3 сигмы » порог статистической значимости , что соответствует значению p 0,1%. Измеренное значение $R_{\rm {K}}={\frac {{\mathcal {B}}(\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mu ^{+}\mu ^{-})}{{\mathcal {B}}(\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mathrm {e} ^{+}\mathrm {e} ^{-})}}$, где символ ${\mathcal {B}}$ обозначает вероятность возникновения данного распада, оказалось, что она равна $0.846_{-0.041}^{+0.044}$ в то время как Стандартная модель предсказывает, что она очень близка к единице. В декабре 2022 года улучшенные измерения исключили эту аномалию.

В августе 2023 года присоединился к поискам лептонных распадов. $b\rightarrow s\ell ^{+}\ell ^{-}$ LHCb и полулептонными распадами $b\rightarrow s\ell \nu$ от Belle II (с $\ell =e,\mu$) установили новые пределы нарушений универсальности.

Другие измерения

LHCb внес вклад в исследования квантовой хромодинамики, электрослабой физики и обеспечил измерения поперечного сечения для астрофизики частиц.

См. также

• Б-фабрика
• Эксперимент Белль II

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с LHCb, на Викискладе?
• Публичная веб-страница LHCb
• Раздел LHCb с веб-сайта США/LHC. Архивировано 14 августа 2020 г. на Wayback Machine.
• А. Аугусто Алвес младший и др. (Сотрудничество LHCb) (2008). «Детектор LHCb на БАКе» . Журнал приборостроения . 3 (8): S08005. Бибкод : 2008JInst...3S8005L . дои : 10.1088/1748-0221/3/08/S08005 . HDL : 10251/54510 . S2CID   250673998 . (Полная проектная документация)
• эксперимента LHCb Запись на INSPIRE-HEP