LHCb-Experiment - LHCb experiment
Koordinaten : 46°14′28″N 06°05′49″E / 46.24111°N 6.09694°E
LHC-Experimente | |
---|---|
ATLAS | Ein toroidförmiger LHC-Apparat |
CMS | Kompaktes Myon-Magnetventil |
LHCb | LHC-Schönheit |
ALICE | Ein großes Ionenbeschleuniger-Experiment |
TOTEM | Gesamtquerschnitt, elastische Streuung und Beugungsdissoziation |
LHCf | LHC-Vorwärts |
MoEDAL | Monopol- und Exoten-Detektor am LHC |
FASER | Forward Search ExpeRiment |
LHC-Vorbeschleuniger | |
p und Pb | Linearbeschleuniger für Protonen (Linac 4) und Blei (Linac 3) |
(nicht gekennzeichnet) | Proton-Synchrotron-Booster |
PS | Proton-Synchrotron |
SPS | Super Proton Synchrotron |
Das LHCb- Experiment ( Large Hadron Collider Beauty ) ist eines von acht Teilchenphysik-Detektorexperimenten, die Daten am Large Hadron Collider des CERN sammeln . LHCb ist ein spezialisiertes b-Physik- Experiment, das in erster Linie entwickelt wurde, um die Parameter der CP-Verletzung in den Wechselwirkungen von b- Hadronen (schweren Teilchen, die ein Bottom-Quark enthalten ) zu messen . Solche Studien können helfen, die Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums zu erklären . Der Detektor ist auch in der Lage, Messungen von Produktionsquerschnitten, exotischer Hadronenspektroskopie , Charm- Physik und elektroschwacher Physik im vorderen Bereich durchzuführen . Die LHCb-Kollaboration, die die Daten des Experiments erstellt, betrieben und analysiert hat, besteht aus etwa 1260 Personen aus 74 wissenschaftlichen Instituten aus 16 Ländern. Chris Parkes ist am 1. Juli 2020 als Sprecher der Zusammenarbeit an Giovanni Passaleva (Sprecher 2017-2020) nachgefolgt . Das Experiment befindet sich an Punkt 8 des LHC-Tunnels in der Nähe von Ferney-Voltaire , Frankreich, gleich hinter der Grenze von Genf . Das (kleine) MoEDAL-Experiment teilt sich dieselbe Kaverne.
Physik-Ziele
Das Experiment verfügt über ein breites Physikprogramm, das viele wichtige Aspekte von Heavy Flavour (sowohl Schönheit als auch Charme), elektroschwacher und Quantenchromodynamik (QCD) -Physik abdeckt . Es wurden sechs Schlüsselmessungen identifiziert, die B-Mesonen betreffen. Diese werden in einem Roadmap-Dokument beschrieben, das das Kernphysikprogramm für den ersten Hochenergie-LHC bildete, der 2010–2012 lief. Sie beinhalten:
- Messung des Verzweigungsverhältnisses des seltenen B s → μ + μ − -Zerfalls.
- Messung der Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie des Myonenpaares im geschmacksverändernden neutralen Strom B d → K * μ + μ − Zerfall. Ein solcher geschmacksverändernder neutraler Strom kann im Standardmodell der Teilchenphysik nicht auf Baumebene auftreten und tritt nur durch Box- und Schleifen-Feynman-Diagramme auf; Eigenschaften des Zerfalls können durch neue Physik stark verändert werden.
- Messung der CP-verletzenden Phase im Zerfall B s → J/ψ φ, verursacht durch Interferenz zwischen den Zerfällen mit und ohne B s -Schwingungen . Diese Phase ist eine der CP-Observablen mit der kleinsten theoretischen Unsicherheit im Standardmodell und kann durch neue Physik erheblich modifiziert werden.
- Messung der Eigenschaften von strahlenden B-Zerfällen, dh B-Meson-Zerfällen mit Photonen in den Endzuständen. Konkret handelt es sich wiederum um geschmacksverändernde neutrale Stromzerfälle.
- Bestimmung des Einheitsdreieckwinkels γ auf Baumebene.
- Reizlos geladener Zweikörper B zerfällt.
Der LHCb-Detektor
Die Tatsache, dass die beiden b-Hadrons überwiegend im gleichen Vorwärtskegel erzeugt werden, wird beim Layout des LHCb-Detektors ausgenutzt. Der LHCb Detektor ist ein einzelner Arm nach vorne Spektrometer mit einem polaren Winkelabdeckung von 10 bis 300 Milliradian (mrad) in der Horizontalen und 250 mrad in der vertikalen Ebene. Die Asymmetrie zwischen horizontaler und vertikaler Ebene wird durch einen großen Dipolmagneten mit der Hauptfeldkomponente in vertikaler Richtung bestimmt.
Subsysteme
Der Vertex Locator (VELO) ist um die Protonenwechselwirkungsregion herum aufgebaut. Es wird verwendet, um die Partikelflugbahnen in der Nähe des Wechselwirkungspunktes zu messen, um primäre und sekundäre Scheitelpunkte präzise zu trennen.
Der Detektor arbeitet 7 Millimeter (0,28 Zoll) vom LHC-Strahl entfernt. Dies impliziert einen enormen Teilchenfluss; VELO ist so ausgelegt, dass es integrierten Fluenzen von mehr als 10 14 p/cm 2 pro Jahr über einen Zeitraum von etwa drei Jahren standhält . Der Detektor arbeitet im Vakuum und wird mit einem zweiphasigen CO 2 -System auf etwa -25 °C (-13 °F) gekühlt . Die Daten des VELO-Detektors werden verstärkt und vom Beetle ASIC ausgelesen .
Der RICH-1-Detektor ( Ring Imaging Cherenkov Detector ) befindet sich direkt hinter dem Vertex-Detektor. Es wird zur Partikelidentifikation von Spuren mit geringem Impuls verwendet .
Das Hauptverfolgungssystem wird vor und nach dem Dipolmagneten platziert. Es wird verwendet, um die Flugbahnen geladener Teilchen zu rekonstruieren und deren Impulse zu messen. Der Tracker besteht aus drei Subdetektoren:
- Der Tracker Turicensis, ein Siliziumstreifendetektor vor dem LHCb-Dipolmagneten
- Der äußere Tracker. Ein auf Strohröhren basierender Detektor, der sich hinter dem Dipolmagneten befindet, der den äußeren Teil der Detektoraufnahme bedeckt
- Der Inner Tracker, ein auf Siliziumstreifen basierender Detektor, der sich nach dem Dipolmagneten befindet, der den inneren Teil der Detektoraufnahme abdeckt
Nach dem Tracking-System ist RICH-2. Es ermöglicht die Identifizierung des Teilchentyps von Spuren mit hohem Impuls.
Die elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeter liefern Messungen der Energie von Elektronen , Photonen und Hadronen . Diese Messungen werden auf Triggerebene verwendet , um Partikel mit großem Transversalimpuls (Pt-Partikel) zu identifizieren.
Das Myon - System wird verwendet , um zu identifizieren und Trigger auf Myonen in den Ereignissen.
LHCb-Upgrade (2019–2021)
Ende 2018 wurde der LHC für Upgrades abgeschaltet, ein Neustart ist derzeit für Anfang 2022 geplant. Für den LHCb-Detektor sollen fast alle Subdetektoren modernisiert oder ersetzt werden. Es wird ein völlig neues Tracking-System erhalten, das aus einem modernisierten Vertex-Locator, einem Upstream-Tracker (UT) und einem Szintillator-Faser-Tracker (SciFi) besteht. Auch die RICH-Detektoren sowie die gesamte Detektorelektronik werden aktualisiert. Die wichtigste Änderung ist jedoch die Umstellung auf den voll-Software-Trigger des Experiments, was bedeutet, dass jede aufgezeichnete Kollision von ausgeklügelten Softwareprogrammen ohne einen zwischengeschalteten Hardware-Filterschritt analysiert wird (was sich in der Vergangenheit als Flaschenhals herausgestellt hat).
Ergebnisse
Während des Proton-Proton-Laufs 2011 verzeichnete LHCb eine integrierte Leuchtkraft von 1 fb −1 bei einer Kollisionsenergie von 7 TeV. Im Jahr 2012 wurden etwa 2 fb −1 bei einer Energie von 8 TeV gesammelt. Während 2015-2018 (Lauf 2 des LHC) wurden etwa 6 fb −1 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV gesammelt. Darüber hinaus wurden kleine Proben bei Proton-Blei-, Blei-Blei- und Xenon-Xenon-Kollisionen gesammelt. Das LHCb-Design ermöglichte auch die Untersuchung von Kollisionen von Teilchenstrahlen mit einem in das VELO-Volumen injizierten Gas (Helium oder Neon), wodurch es einem Experiment mit festem Ziel ähnelte; Dieses Setup wird normalerweise als "SMOG" bezeichnet. Diese Datensätze ermöglichen es der Zusammenarbeit, das Physikprogramm der Präzisions-Standardmodelltests mit vielen zusätzlichen Messungen durchzuführen. Bis 2021 hat LHCb mehr als 500 wissenschaftliche Arbeiten veröffentlicht.
Hadronenspektroskopie
LHCb wurde entwickelt , um Schönheits - und Charme - Hadronen zu studieren . Neben Präzisionsstudien der bekannten Teilchen wie dem mysteriösen X(3872) wurden durch das Experiment eine Reihe neuer Hadronen entdeckt. Bis 2021 haben alle vier LHC-Experimente insgesamt etwa 60 neue Hadronen entdeckt, von denen die überwiegende Mehrheit von LHCb stammt. Im Jahr 2015 wurde der Zerfall von unteren Lambda-Baryonen (Λ0
b) im LHCb-Experiment zeigte die scheinbare Existenz von Pentaquarks , was als "zufällige" Entdeckung bezeichnet wurde. Andere bemerkenswerte Entdeckungen sind die des "doppelt bezauberten" Baryons im Jahr 2017, ein erstes bekanntes Baryon mit zwei schweren Quarks; und des vollcharmeierten Tetraquarks im Jahr 2020, bestehend aus zwei Charm-Quarks und zwei Charm-Antiquarks.
Quark-Inhalt | Partikelname | Typ | Jahr der Entdeckung | |
---|---|---|---|---|
1 | Aufgeregt Baryon | 2012 | ||
2 | Aufgeregt Baryon | 2012 | ||
3 | Aufgeregtes Meson | 2013 | ||
4 | Aufgeregtes Meson | 2013 | ||
5 | Aufgeregtes Meson | 2013 | ||
6 | Aufgeregtes Meson | 2013 | ||
7 | Aufgeregtes Meson | 2013 | ||
8 | Aufgeregtes Meson | 2013 | ||
9 | Aufgeregtes Meson | 2014 | ||
10 | Aufgeregt Baryon | 2014 | ||
11 | Aufgeregt Baryon | 2014 | ||
12 | Aufgeregtes Meson | 2015 | ||
13 | Aufgeregtes Meson | 2015 | ||
14 | Aufgeregtes Meson | 2015 | ||
fünfzehn | Aufgeregtes Meson | 2015 | ||
16 | Pentaquark | 2015 | ||
17 | Tetraquark | 2016 | ||
18 | Tetraquark | 2016 | ||
19 | Tetraquark | 2016 | ||
20 | Aufgeregtes Meson | 2016 | ||
21 | Aufgeregt Baryon | 2017 | ||
22 | Aufgeregt Baryon | 2017 | ||
23 | Aufgeregt Baryon | 2017 | ||
24 | Aufgeregt Baryon | 2017 | ||
25 | Aufgeregt Baryon | 2017 | ||
26 | Aufgeregt Baryon | 2017 | ||
27 | Baryon | 2017 | ||
28 | Aufgeregt Baryon | 2018 | ||
29 | Aufgeregt Baryon | 2018 | ||
30 | Aufgeregt Baryon | 2018 | ||
31 | Aufgeregtes Meson | 2019 | ||
32 | Pentaquark | 2019 | ||
33 | Pentaquark | 2019 | ||
34 | Pentaquark | 2019 | ||
35 | Aufgeregt Baryon | 2019 | ||
36 | Aufgeregt Baryon | 2019 | ||
37 | Aufgeregt Baryon | 2020 | ||
38 | Aufgeregt Baryon | 2020 | ||
39 | Aufgeregt Baryon | 2020 | ||
40 | Aufgeregt Baryon | 2020 | ||
41 | Aufgeregt Baryon | 2020 | ||
42 | Tetraquark | 2020 | ||
43 | Tetraquark | 2020 | ||
44 | Tetraquark | 2020 | ||
45 | Aufgeregt Baryon | 2020 | ||
46 | Aufgeregtes Meson | 2020 | ||
47 | Aufgeregtes Meson | 2020 | ||
48 | Aufgeregtes Meson | 2020 | ||
49 | Tetraquark | 2021 | ||
50 | Tetraquark | 2021 | ||
51 | Tetraquark | 2021 | ||
52 | Tetraquark | 2021 |
CP-Verletzung und Mischung
Studien zur Ladungs-Paritäts-(CP)-Verletzung bei B-Meson-Zerfällen sind das primäre Designziel des LHCb-Experiments. Ab 2021 bestätigen LHCb-Messungen mit bemerkenswerter Präzision das durch das CKM- Unitaritätsdreieck beschriebene Bild . Der Winkel des Einheitsdreiecks ist jetzt zu etwa 4° bekannt und stimmt mit indirekten Bestimmungen überein.
Im Jahr 2019 gab LHCb die Entdeckung einer CP-Verletzung beim Zerfall von Charm-Mesonen bekannt. Dies ist das erste Mal, dass eine CP-Verletzung bei Zerfällen von anderen Teilchen als Kaonen oder B-Mesonen beobachtet wird. Die Rate der beobachteten CP-Asymmetrie liegt am oberen Rand der bestehenden theoretischen Vorhersagen, was bei Teilchentheoretikern ein gewisses Interesse an möglichen Auswirkungen der Physik über das Standardmodell hinaus geweckt hat.
Im Jahr 2020 gab LHCb die Entdeckung einer zeitabhängigen CP-Verletzung beim Zerfall von B s -Mesonen bekannt. Die Schwingungsfrequenz von B s -Mesonen zu seinem Antiteilchen und umgekehrt wurde 2021 mit hoher Genauigkeit gemessen.
Seltene Zerfälle
Seltene Zerfälle sind die Zerfallsmoden, die im Standardmodell stark unterdrückt werden, was sie empfindlich gegenüber möglichen Auswirkungen noch unbekannter physikalischer Mechanismen macht.
Im Jahr 2014 veröffentlichten LHCb- und CMS- Experimente ein gemeinsames Papier in Nature , in dem die Entdeckung des sehr seltenen Zerfalls angekündigt wurde , dessen Rate nahe den Vorhersagen des Standardmodells gefunden wurde. Diese Messung hat den möglichen Parameterraum der Supersymmetrietheorien stark eingeschränkt, die eine große Steigerung der Geschwindigkeit vorhergesagt haben. Seitdem hat LHCb mehrere Arbeiten mit genaueren Messungen in diesem Zerfallsmodus veröffentlicht.
Anomalien wurden bei mehreren seltenen Zerfällen von B-Mesonen gefunden. Das bekannteste Beispiel im sogenannten Winkelobservablen wurde im Zerfall gefunden , wo die Abweichung zwischen den Daten und der theoretischen Vorhersage seit Jahren anhält. Auch die Zerfallsraten einiger seltener Zerfälle weichen von den theoretischen Vorhersagen ab, wobei letztere jedoch erhebliche Unsicherheiten aufweisen.
Universalität des Lepton-Geschmacks
Im Standardmodell wird erwartet, dass die Kopplungen von geladenen Leptonen (Elektronen, Myonen und Tau-Leptonen) an die Eichbosonen identisch sind, wobei der einzige Unterschied aus den Leptonmassen hervorgeht. Dieses Postulat wird als "Lepton-Aroma-Universalität" bezeichnet. Folglich sollten bei Zerfällen von b-Hadronen Elektronen und Myonen mit ähnlichen Geschwindigkeiten erzeugt werden, und der kleine Unterschied aufgrund der Leptonenmassen ist genau berechenbar.
LHCb hat Abweichungen von diesen Vorhersagen gefunden, indem er die Zerfallsrate mit der von , und in ähnlichen Prozessen vergleicht. Da die fraglichen Zerfälle jedoch sehr selten sind, muss ein größerer Datensatz analysiert werden, um definitive Schlussfolgerungen zu ziehen.
Im März 2021 gab LHCb bekannt, dass die Anomalie der Lepton-Universalität die statistische Signifikanzschwelle von „3 Sigma “ überschritten hat, was einem p-Wert von 0,1% entspricht. Der gemessene Wert von , wobei das Symbol die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines bestimmten Zerfalls bezeichnet, wurde als sehr nahe bei Eins vorhergesagt, während das Standardmodell ihn vorhersagt.
Andere Maße
LHCb hat zu Studien der Quantenchromodynamik und elektroschwachen Physik beigetragen und Querschnittsmessungen für die Astroteilchenphysik bereitgestellt.
Siehe auch
Verweise
Externe Links
- Medien im Zusammenhang mit LHCb bei Wikimedia Commons
- Öffentliche LHCb-Webseite
- LHCb-Abschnitt von der US/LHC-Website
- A. Augusto Alves Jr. et al. (LHCb-Kollaboration) (2008). „Der LHCb-Detektor am LHC“ . Zeitschrift für Instrumentierung . 3 (8): S08005. Bibcode : 2008JInst...3S8005T . doi : 10.1088/1748-0221/3/08/S08005 . hdl : 10251/54510 . (Vollständige Konstruktionsdokumentation)