LHCb эксперимент

Координаты : 46 ° 14′28 ″ с.ш., 06 ° 05′49 ″ в.д. / 46.24111°N 6.09694°E / 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 ForwArd Search
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 . ^[1] 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 рождения, экзотическую адронную спектроскопию, очарование.физика и электрослабая физика в передней области. Коллаборация LHCb, которая построила, оперирует и анализирует данные эксперимента, состоит примерно из 1260 человек из 74 научных институтов, представляющих 16 стран. ^[2] Крис Паркс ^[3] сменил 1 июля 2020 г. на посту представителя сотрудничества Джованни Пассалева (пресс-секретарь 2017–2020 гг.). ^[4] 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 [ править ]

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 ^[5], 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 с помощью новой физики.
• 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.
• Бесхитростно заряженное двухчастичное B распадается.

Детектор LHCb [ править ]

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 [ править ]

Вершинный детектор (VELO) построен вокруг области взаимодействия протонов. ^{[6] [7]} 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 приемного устройства
• 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) [ править ]

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. ^[8] Он получит полностью новую систему слежения, состоящую из модернизированного локатора вершин, отслеживаемого восходящего потока (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 аппаратного шага (который в прошлом считался узким местом). ^[9]

Результаты [ править ]

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. ^[10] В течение 2015-2018 годов (прогон 2 LHC) было собрано около 6 фб ^-1 при энергии центра масс 13 ТэВ. Кроме того, были собраны небольшие образцы при столкновениях протон-свинец, свинец-свинец и ксенон-ксенон. 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». ^[11]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. ^[12]

Адронная спектроскопия [ править ]

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 во всех четырех экспериментах на LHC было обнаружено в общей сложности около 60 новых адронов, подавляющее большинство из которых - на LHCb. ^[13] В 2015 г. анализ распада нижних лямбда-барионов (Λ⁰
_б) В эксперименте LHCb показал очевидное существование пентакварков , ^{[14] [15]} в том, что было описано как «случайного» открытия. ^[16] Еще одним примечательным открытием является «дважды очарованный» барион в 2017 году, первый известный барион с двумя тяжелыми кварками; и полностью очарованный тетракварк в 2020 году, состоящий из двух очаровательных кварков и двух очаровательных антикварков. ${\displaystyle \Xi _{cc}^{++}}$${\displaystyle T_{cccc}}$

Адроны открыты на LHCb. ^[17] 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	Примечания
1	${\displaystyle bud}$	${\displaystyle \Lambda _{b}(5912)^{0}}$	Возбужденный барион	2012 г.
2	${\displaystyle bud}$	${\displaystyle \Lambda _{b}(5920)^{0}}$	Возбужденный барион	2012 г.
3	${\displaystyle c{\bar {u}}}$	${\displaystyle D_{J}(2580)^{0}}$	Возбужденный мезон	2013
4	${\displaystyle c{\bar {u}}}$	${\displaystyle D_{J}(2740)^{0}}$	Возбужденный мезон	2013
5	${\displaystyle c{\bar {d}}}$	${\displaystyle D_{J}^{*}(2760)^{+}}$	Возбужденный мезон	2013
6	${\displaystyle c{\bar {u}}}$	${\displaystyle D_{J}(3000)^{0}}$	Возбужденный мезон	2013
7	${\displaystyle c{\bar {u}}}$	${\displaystyle D_{J}^{*}(3000)^{0}}$	Возбужденный мезон	2013
8	${\displaystyle c{\bar {d}}}$	${\displaystyle D_{J}^{*}(3000)^{+}}$	Возбужденный мезон	2013
9	${\displaystyle c{\bar {s}}}$	${\displaystyle D_{s1}^{*}(2860)^{+}}$	Возбужденный мезон	2014 г.
10	${\displaystyle bsd}$	${\displaystyle \Xi _{b}^{'-}}$	Возбужденный барион	2014 г.
11	${\displaystyle bsd}$	${\displaystyle \Xi _{b}^{*-}}$	Возбужденный барион	2014 г.
12	${\displaystyle {\bar {b}}u}$	${\displaystyle B_{J}(5840)^{+}}$	Возбужденный мезон	2015 г.
13	${\displaystyle {\bar {b}}d}$	${\displaystyle B_{J}(5840)^{0}}$	Возбужденный мезон	2015 г.
14	${\displaystyle {\bar {b}}u}$	${\displaystyle B_{J}(5970)^{+}}$	Возбужденный мезон	2015 г.
15	${\displaystyle {\bar {b}}d}$	${\displaystyle B_{J}(5970)^{+}}$	Возбужденный мезон	2015 г.
16	${\displaystyle c{\bar {c}}uud}$	${\displaystyle P_{c}(4380)^{+}}$	Пентакварк	2015 г.	Ранее неизвестное сочетание кварков
17	${\displaystyle c{\bar {c}}s{\bar {s}}}$	${\displaystyle X(4274)}$	Тетракварк	2016 г.
18	${\displaystyle c{\bar {c}}s{\bar {s}}}$	${\displaystyle X(4500)}$	Тетракварк	2016 г.
19	${\displaystyle c{\bar {c}}s{\bar {s}}}$	${\displaystyle X(4700)}$	Тетракварк	2016 г.
20	${\displaystyle c{\bar {u}}}$	${\displaystyle D_{3}^{*}(2760)^{0}}$	Возбужденный мезон	2016 г.
21 год	${\displaystyle cud}$	${\displaystyle \Lambda _{c}(2860)^{+}}$	Возбужденный барион	2017 г.
22	${\displaystyle css}$	${\displaystyle \Omega _{c}(3000)^{0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
23	${\displaystyle css}$	${\displaystyle \Omega _{c}(3050)^{0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
24	${\displaystyle css}$	${\displaystyle \Omega _{c}(3066)^{0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
25	${\displaystyle css}$	${\displaystyle \Omega _{c}(3090)^{0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
26	${\displaystyle css}$	${\displaystyle \Omega _{c}(3119)^{0}}$	Возбужденный барион	2017 г.
27	${\displaystyle ccu}$	${\displaystyle \Xi _{cc}^{++}}$	Барион	2017 г.	Ранее неизвестное сочетание кварков; первый барион с двумя очаровательными кварками, и единственная слабораспадающаяся частица, обнаруженная до сих пор на LHC.
28 год	${\displaystyle bsd}$	${\displaystyle \Xi _{b}(6227)^{-}}$	Возбужденный барион	2018 г.
29	${\displaystyle buu}$	${\displaystyle \Sigma _{b}(6097)^{+}}$	Возбужденный барион	2018 г.
30	${\displaystyle bdd}$	${\displaystyle \Sigma _{b}(6097)^{-}}$	Возбужденный барион	2018 г.
31 год	${\displaystyle c{\bar {c}}}$	${\displaystyle \psi _{3}(3842)}$[18]	Возбужденный мезон	2019 г.
32	${\displaystyle c{\bar {c}}uud}$	${\displaystyle P_{c}(4312)^{+}}$	Пентакварк	2019 г.
33	${\displaystyle c{\bar {c}}uud}$	${\displaystyle P_{c}(4440)^{+}}$	Пентакварк	2019 г.
34	${\displaystyle c{\bar {c}}uud}$	${\displaystyle P_{c}(4457)^{+}}$	Пентакварк	2019 г.
35 год	${\displaystyle bud}$	${\displaystyle \Lambda _{b}(6146)^{0}}$	Возбужденный барион	2019 г.
36	${\displaystyle bud}$	${\displaystyle \Lambda _{b}(6152)^{0}}$	Возбужденный барион	2019 г.
37	${\displaystyle bss}$	${\displaystyle \Omega _{b}(6340)^{-}}$	Возбужденный барион	2020 г.
38	${\displaystyle bss}$	${\displaystyle \Omega _{b}(6350)^{-}}$	Возбужденный барион	2020 г.
39	${\displaystyle bud}$	${\displaystyle \Lambda _{b}(6070)^{0}}$	Возбужденный барион	2020 г.	Одновременно с CMS ; CMS не хватило данных, чтобы заявить об открытии
40	${\displaystyle csd}$	${\displaystyle \Xi _{c}(2923)^{0}}$	Возбужденный барион	2020 г.
41 год	${\displaystyle csd}$	${\displaystyle \Xi _{c}(2939)^{0}}$	Возбужденный барион	2020 г.
42	${\displaystyle cc{\bar {c}}{\bar {c}}}$	${\displaystyle T_{cccc}}$	Тетракварк	2020 г.	Ранее неизвестное сочетание кварков; первый тетракварк, сделанный исключительно из очаровательных кварков
43 год	${\displaystyle {\bar {c}}d{\bar {s}}u}$	${\displaystyle X_{0}(2900)}$	Тетракварк	2020 г.	Ранее неизвестное сочетание кварков; первый тетракварк, все кварки разные
44	${\displaystyle {\bar {c}}d{\bar {s}}u}$	${\displaystyle X_{1}(2900)}$	Тетракварк	2020 г.
45	${\displaystyle bsu}$	${\displaystyle \Xi _{b}(6227)^{0}}$	Возбужденный барион	2020 г.
46	${\displaystyle {\bar {b}}s}$	${\displaystyle B_{s}(6063)^{0}}$	Возбужденный мезон	2020 г.
47	${\displaystyle {\bar {b}}s}$	${\displaystyle B_{s}(6114)^{0}}$	Возбужденный мезон	2020 г.
48	${\displaystyle c{\bar {s}}}$	${\displaystyle D_{s0}(2590)^{+}}$	Возбужденный мезон	2020 г.
49	${\displaystyle c{\bar {c}}s{\bar {s}}}$	${\displaystyle X(4630)}$	Тетракварк	2021 г.
50	${\displaystyle c{\bar {c}}s{\bar {s}}}$	${\displaystyle X(4685)}$	Тетракварк	2021 г.
51	${\displaystyle c{\bar {c}}u{\bar {s}}}$	${\displaystyle Z_{cs}(4000)^{+}}$	Тетракварк	2021 г.
52	${\displaystyle c{\bar {c}}u{\bar {s}}}$	${\displaystyle Z_{cs}(4220)^{+}}$	Тетракварк	2021 г.

Нарушение CP и смешивание [ править ]

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. ^[19]${\displaystyle \gamma \,\,(\alpha _{3})}$

В 2019 году LHCb объявил об открытии CP-нарушения в распадах очарованных мезонов. ^[20] 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. ^[21]

В 2020 году LHCb объявил об открытии зависящего от времени CP-нарушения в распадах B _s- мезонов. ^[22] Частота колебаний B _s- мезонов к его античастице и наоборот была измерена с большой точностью в 2021 году.

Редкие распады [ править ]

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. ^[23] Это измерение сильно ограничило возможное пространство параметров теорий суперсимметрии, которые предсказали большое увеличение скорости. С тех пор LHCb опубликовал несколько статей с более точными измерениями в этом режиме распада.${\displaystyle B_{s}^{0}\to \mu ^{+}\mu ^{-}}$

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. ^[24] Скорость распада нескольких редких распадов также отличается от теоретических предсказаний, хотя последние имеют значительные погрешности.${\displaystyle P_{5}^{'}}$${\displaystyle B^{0}\to K^{*0}\mu ^{+}\mu ^{-}}$

Универсальность лептона [ править ]

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, связанная с массами лептонов, точно вычисляется.

LHCb обнаружил отклонения от этого прогноза, сравнив скорость распада со скоростью распада , ^[25] и в аналогичных процессах. ^[26] Однако, поскольку рассматриваемые распады очень редки, необходимо проанализировать более крупный набор данных, чтобы сделать окончательные выводы.${\displaystyle B^{+}\to K^{+}\mu ^{+}\mu ^{-}}$${\displaystyle B^{+}\to K^{+}e^{+}e^{-}}$

В марте 2021 года LHCb объявил, что аномалия в универсальности лептонов пересекла порог «3 сигма », что означает вероятность того, что данные совместимы с предсказанием Стандартной модели ^[27], составляет всего 0,1% . Измеренное значение , где символ обозначает вероятность данного распада, оказалось равным, в то время как Стандартная модель предсказывает, что оно очень близко к единице ^[28] .${\displaystyle R_{K}={\frac {{\mathcal {B}}(B^{+}\to K^{+}\mu ^{+}\mu ^{-})}{{\mathcal {B}}(B^{+}\to K^{+}e^{+}e^{-})}}}$${\displaystyle {\mathcal {B}}}$${\displaystyle 0.846_{-0.041}^{+0.044}}$

Другие измерения [ править ]

LHCb внес свой вклад в исследования квантовой хромодинамики, электрослабой физики и обеспечил измерения поперечных сечений для физики астрономических частиц. ^[29]

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме LHCb .

• B-завод

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• 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)