Eksperiment LHCb

Eksperiment LHCb ( Large Hadron Collider beauty - Veliki hadronski trkalnik lepota) je eden izmed osmih poskusov na področju fizike delcev, ki zbira podatke na Velikem hadronskem trkalniku v CERN-u . LHCb je specializiran eksperiment b-fizike, namenjen predvsem merjenju parametrov za kršitev CP v interakcijah b-hadronov (težkih delcev, ki vsebujejo kvark dno). Te vrste študije lahko pomagajo razložiti asimetrijo materije-antimaterije vesolja. Detektor je zmožen tudi opravljati meritve proizvodnih presekov, spektroskopijo eksotičnih hadronov, meritve na področju čara in elektrošibke sile v sprednjem območju. Sodelovanje v projektu LHCb, v katerem so razvili detektor in v katerem beležijo, vrednotijo in analizirajo dogodke v poskusu, zaposluje 1260 ljudi z 74 znanstvenih inštitutov iz 16 držav. Chris Parkes je 1. julija 2020 kot predstavnik za tisk nasledil Giovannija Passalevo (tiskovni predstavnik 2017-2020). Poskus se nahaja na točki 8 v predoru LHC blizu Ferney-Voltaire v Franciji, tik čez mejo od Ženeve. Isto kaverno deli z njim (mali) poskus MoEDAL.

Veliki Hadronski trkalnik
(Large Hadron Collider - LHC)

preskusi LHC
ATLAS	Toroidalni aparat LHC
CMS	Kompaktni Mionski Solenoid
LHCb	LHC-lepota/dno
ALICE	trkalni poskus s težkimi ioni
TOTEM	Totalen presek, Elastično sipanje in difrakcijska disipacija
LHCf	LHC-smer naprej
MoEDAL	LHC detektor monopoola in eksotičnih delcev
FASER	preskus iskanja v smeri naprej (ForwArd Search ExpeRiment
pred-pospeševalniki LHC
p in Pb	Linearni pospeševalniki za protone (Linac 4) in svinec (Linac 3)
(ni označeno)	Proton Synchrotron Booster
PS	Proton Synchrotron
SPS	Super Proton Synchrotron

Fizikalni cilji

Poskus ima širok program na področju fizike osnovnih delcev, zajema številne pomembne vidike močnega okusa (tako lepote kot čara),elektrošibke in kvantne kromodinamične (QCD) fizike. Odločili so se za šest ključnih meritev, v katerih igrajo glavno vlogo mezoni B. Opis meritev je najti v road-map dokumentu, osrednjem fizikalnem programu za prvi LHC visokih energij v letih 2010–2012. Gre za:

• Merjenje razvejitvenega razmerja za redki razpad B_s → μ ⁺ μ ^- .
• Merjenje asimetrije mionskega para naprej in nazaj v razpadu B _d → K ^* μ ⁺ μ ^- . Tak nevtralen pretok, ki spreminja okus, v Standardnem modelu fizike delcev na nivoju dreves ni možen in se pojavi samo v Feynmanovih diagramih z okvirji in zankami; na lastnosti razpada lahko nova fizika občutno vpliva.
• Merjenje faze razpada _bs → J / ψ φ, ki krši CP zaradi interference med razpadi z in brez oscilacij B_s. Ta faza je po standardnem modelu, ena od CP opazljivk z najmanjšo teoretično negotovostjo, tako da jo nova fizika lahko znatno spremeni.
• Merjenje lastnosti sevalnih B razpadov, tj razpadov B-mezonov s fotoni kot končnimi stanji. Natančneje, gre spet za razpade z nevtralnim pretokom, ki spreminjajo okus.
• Merjenje kota unitarnega trikotnika γ na drevesni ravni.
• Dvo-telesni nabiti B-razpadi brez čara.

Detektor LHCb

Dejstvo, da se dva b-hadrona rojevata pretežno v istem prednjem stožcu, je osrednjega pomena za zasnovo detektorja LHCb. Detektor LHCb je enoročni spektrometer v smeri naprej s pokritostjo polarnega kota od 10 do 300 miliradianov (mrad) v vodoravni in 250 mrad v navpični ravnini. Za asimetrijo med vodoravno in navpično ravnino je odločilen velik dipolni magnet z glavno komponento polja v navpični smeri.

Logotip sodelovanja LHCb

Podsistemi

Lokator verteksov (VELO) obdaja področje, kjer prihaja do interakcije med protoni. Njegova naloga je meriti poti delcev blizu točke interakcije, kar omogoča natančno razločiti med primarnimi in sekundarnimi verteksi.

VELO

• 
  Lokator verteksov (VELO) med izgradnjo
• 
  En od elementov sistema VELO

Detektor deluje na razdalji 7 mm (0,28 in) od osi žarka LHC. To pomeni ogromen pretok delcev; VELO je zasnovan tako, da vzdrži integrirane tokove več kot 10 ¹⁴ p / cm ² na leto za dobo kakih treh let. Detektor deluje v vakuumu in se hladi na približno −25 °C (−13 °F) z uporabo dvofaznega sistema na osnovi CO_2. Podatke detektorja VELO ojačuje in odčitava Beetle ASIC .   Detektor RICH-1 (detektorski slikovni prstan Čerenkov ) je neposredno za detektorjem vertex. Njegov namen je identificirati sledi delcev z nizko gibalno količino.

Glavni sledilni sistem za sledenje je pred in za dipolnim magnetom. Uporablja se za rekonstrukcijo poti nabitih delcev in za merjenje njihovih gibalnih količin. Sledilnik sestavljajo trije poddetektorji:

• Sledilnik Turicensis, detektor v obliki silicijevega traku, pred dipolnim magnetom LHCb
• Zunanji sledilnik. Detektor na osnovi slamic, nahaja se za dipolnim magnetom in pokriva zunanji del sprejetja detektorja
• Notranji sledilnik, detektor v obliki silicijevega traku za dipolnim magnetom, ki pokriva notranji del sprejetja detektorja

Za sledilnim sistemom je na vrsti RICH-2. Omogoča identificirati, za katero vrsto delcev gre pri sledeh z visoko gibalno količino.

Elektromagnetni in hadronski kalorimetri merijo energije elektronov, fotonov in hadronov. Te meritve se uporabljajo na sprožilni ravni za razpoznavanje delcev z veliko prečno gibalno količino (t.i. delce z visokim Pt).

Mionski sistem se uporablja za razpoznavanje in sprožanje, kadar gre pri dogodkih za mione.

Nadgradnja LHCb (2019–2021)

Konec leta 2018 so LHC ustavili zaradi nadgradnje, ponovni zagon pa je za zdaj predviden v začetku leta 2022. V detektorju LHCb je treba posodobiti ali zamenjati skoraj vse poddetektorje. Posodobljeni bodo tudi RICH detektorji, pa tudi celotna detektorska elektronika. Najpomembnejša sprememba pa je vsekakor prehod na popolnoma programsko sprožanje eksperimenta, kar pomeni, da bodo vsako posneto trčenje analizirali komplicirani in dovršeni programi brez vmesnega koraka, to je brez filtriranja v strojni opremi (ki je v preteklosti bilo ozko grlo).

Rezultati

Med tekom trkov p-p leta 2011 je LHCb zabeležil integrirano svetilnost 1 fb ⁻¹ pri energiji trka 7 TeV. Leta 2012 je svetilnost narasla na približno 2 fb ⁻¹ pri energiji 8 TeV. V letih 2015-2018 (2. tek LHC) so zajeli približno 6 fb ⁻¹ pri energiji središča mase 13 TeV. Poleg tega so zajeli manjše količine podatkov v trkih proton-svinec in svinec-svinec. Zasnova LHCb je prav tako omogočala preučevati trke delcev s plinom (helijem ali neonom), vbrizganim v notranjost VELO, kar je te eksperimente naredilo podobne trkom s fiksno tarčo (ta konfiguracija poskusa se običajno imenuje "SMOG"). Ti rezultati omogočajo program natančnih preskusov standardnega modela povezati s številnimi dodatnimi meritvami. Od leta 2021 je LHCb objavil več kot 500 znanstvenih člankov.

Hadronska spektroskopija

LHCb je zasnovan za preučevanje hadronov b in c (beauty - lepota ali dno, in c - čar). Poleg natančnih študij znanih delcev, kot je skrivnostni X (3872), so s poskusom odkrili številne nove hadrone. Od leta 2021 so vsi štirje poskusi LHC odkrili približno 60 novih hadronov, od tega jih je veliko večino našel LHCb. V letu 2015 je analiza razpada barionov dno lambda (Λ⁰
_b) na LHCb dokazala nedvomen obstoj pentakvarkov , do odkritja je menda prišlo čisto "naključno". Druga pomembna odkritja so "dvojno očarani" barion $\Xi _{\rm {cc}}^{++}$ leta 2017, prvi znani barion z dvema težkima kvarkoma; in popolnoma "očarani" tetrakvark $\mathrm {T} _{\rm {cccc}}$ leta 2020, sestavljen iz dveh čar kvarkov in dveh čar antikvarkov.

Hadroni, odkriti na LHCb. Izraz 'vzbujeni' za barione in mezone pomeni obstoj stanja z nižjo maso, isto sestavo in istim izo spinom.

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

Kršitev CP in mešanje

Študije kršitve simetrije naboj-parnost (CP) v razpadih B-mezonov so osrednji cilj preskusa LHCb. Od leta 2021 meritve LHCb z izjemno natančnostjo potrjujejo sliko, ki jo opisuje trikotnik enotnosti CKM. Kot $\gamma \,\,(\alpha _{3})$ trikotnika enotnosti je zdaj znan na približno 4 ° in se sklada s posrednimi določitvami.

Leta 2019 je LHCb sporočil, da je pri razpadih čarnih mezonov odkril kršitve CP. To je prvič, da je kršitev CP bilo opaziti pri razpadih delcev, ki niso kaoni ali B-mezoni. Stopnja opazovane asimetrije CP je na zgornjem robu obstoječih teoretičnih napovedi, kar je sprožilo kar nekaj zanimanja med teoretiki delcev glede možnosti za fiziko onkraj Standardnega modela.

V letu 2020 je LHCb objavil odkritje časovno odvisne kršitve CP pri razpadih mezonov B_s. Frekvenco oscilacije mezonov B_s v antidelec in nazaj so izmerili z veliko z veliko natančnostjo leta 2021.

Redki razpadi

Redki razpadi so načini razpada, ki so v Standardnem modelu močno zatrti, tako da so občutljivi za možne vplive še neznanih fizikalnih mehanizmov.

Leta 2014 sta poskusa LHCb in CMS objavila skupni članek v Nature, v katerem sta poročala o odkritju zelo redkega razpada $\mathrm {B} _{\rm {s}}^{0}\to \mu ^{+}\mu ^{-}$, za katerega pogostnost so ugotovili, da je blizu napovedi Standardnega modela. Ta meritev je močno omejila možni prostor parametrov za supersimetrične teorije, ki za ta razpad pričakujejo občutno zvišano verjetnost. Od takrat je LHCb objavil več člankov z natančnejšimi meritvami tega razpada.

V več redkih razpadih mezonov B so ugotovili anomalije. Najbolj znan primer v t.i. $\mathrm {P} _{5}^{'}$ kotni opazljivki v razpadu $\mathrm {B} ^{0}\to \mathrm {K} ^{*0}\mu ^{+}\mu ^{-}$, kjer odstopanje med meritvami in teoretično napovedjo vztraja že leta dolgo. Izmerjene verjetnosti za več redkih razpadov se ravno tako razlikujejo od teoretičnih napovedi, čeprav imajo slednje precejšnje negotovosti.

Univerzalnost leptonskega okusa

V standardnem modelu naj bi bile sklopke nabitih leptonov (elektron, muon in tau lepton) na merilne bozone enake, edina razlika pa bi izhajala iz leptonskih mas. Ta postulat se imenuje "univerzalnost leptonskega okusa". Posledično bi morali pri razpadih b hadronov elektroni in mioni nastajati s podobno pogostnostjo, majhna razlika zaradi leptonskih mas pa je natančno izračunana.

LHCb je primerjal razpade $\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mu ^{+}\mu ^{-}$ in $\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mathrm {e} ^{+}\mathrm {e} ^{-}$, in podobne procese, in odkril, da odstopajo od teh napovedi. Ti razpadi pa so zelo redki, tako da je za dokončne zaključke potreben večji nabor podatkov.

Marca 2021 je LHCb objavil, da je anomalija v univerzalnosti leptonov presegla prag statistične značilnosti "3 sigma ", kar pomeni p-vrednost 0,1%. Izmerjena vrednost

$R_{\rm {K}}={\frac {{\mathcal {B}}(\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mu ^{+}\mu ^{-})}{{\mathcal {B}}(\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mathrm {e} ^{+}\mathrm {e} ^{-})}}$= $0.846_{-0.041}^{+0.044}$

kjer je simbol ${\mathcal {B}}$ verjetnost, da do razpada pride. Standardni model napoveduje vrednost blizu 1.

LHCb je prispeval k raziskavam kvantne kromodinamike, elektrošibke fizike in zagotovil meritve preseka za fiziko astro delcev.

Zunanje povezave

• LHCb Public Webpage
• LHCb section from US/LHC Website Arhivirano 2020-08-14 na Wayback Machine.
• A. Augusto Alves Jr. et al. (LHCb Collaboration) (2008). »The LHCb Detector at the LHC«. Journal of Instrumentation. 3 (8): S08005. Bibcode:2008JInst...3S8005T. doi:10.1088/1748-0221/3/08/S08005. (Full design documentation)