LHCb

LHCb (от англ. Large Hadron Collider beauty experiment) — самый маленький из четырёх основных детекторов на коллайдере LHC в европейской организации ядерных исследований CERN в городе Женева (Швейцария). Эксперимент проводится для исследования асимметрии материи и антиматерии^[1] во взаимодействиях b-кварков.

5 июля 2022 LHCb были открыты три неизвестные ранее экзотические частицы: новый вид пентакварков и первая в мире пара тетракварков, включающая новый тип тетракварков^[2].

Физическая программа эксперимента

Основными задачами эксперимента LHCb являются: изучение редких эффектов CP-нарушения в распадах прелестных адронов (${\displaystyle B_{u}}$, ${\displaystyle B_{d}}$, ${\displaystyle B_{s}}$, ${\displaystyle B_{c}}$-мезонов и b-барионов), измерение углов треугольника унитарности, прецизионная проверка предсказаний Стандартной Модели (СМ) в редких радиационных, полулептонных и лептонных распадах B-мезонов, изучение редких распадов очарованных частиц и экзотических распадов τ-лептонов (например, не сохраняющего лептонное число распада τ→3μ).

Поиск Новой физики

В статье на Элементах известный популяризатор науки и специалист в физике элементарных частиц кандидат физико-математических наук Игорь Иванов отмечает, что основная задача большого адронного коллайдера - открытие Новой физики, и что в этом плане LHCb — единственный из экспериментов LHC, исправно поставляющий позитивные результаты. Игорь Иванов выражает осторожный оптимизм в плане скорого открытия Новой физики по итогам анализа данных, которые уже собраны LHCb и на настоящий момент (апрель 2016) частично обработаны: "сейчас теоретики уже говорят о совокупном отличии от СМ на уровне 5σ. В ближайшие годы ситуация продолжит обостряться. Сейчас основной источник неопределенностей — это статистические погрешности в эксперименте LHCb. Через несколько лет, когда будет обработана существенная часть статистики Run 2, эта погрешность уменьшится в пару-тройку раз — и тогда то, что сейчас кажется намеком, может перерасти в полноценное открытие."^[3].

Детектор LHCb

Установка LHCb представляет собой одноплечевой спектрометр, способный регистрировать треки частиц в диапазоне углов от 15 до 300 мрад.

На детекторе LHCb установлены следующие подсистемы:

• Вершинный детектор VELO
• Черенковские счётчики RICH
• Трековая система
• Система калориметров
• Мюонная система

Вершинный детектор VELO

VELO (VErtex LOcator) — кремниевый детектор, который будет способен проводить прецизионные измерения трековых координат вблизи области взаимодействия, что позволит получить информацию о первичной и вторичной вершинах с большой точностью. Эти данные будут использованы для восстановления вершин образования и распада прелестных и очарованных адронов, что позволит точно измерить их времена распада и прицельный параметр частиц для определения их аромата. Вместе с этим, измерения VELO вносят существенный вклад в триггер нулевого уровня (L0), который обогащает данные B-распадов в общем потоке информации. Под-детектор состоит из двух рядов кремниевых датчиков в форме полумесяцев, каждый толщиной в 0,3 мм. Небольшой вырез в центре сенсоров позволяет главному пучку LHC беспрепятственно проходить сквозь детектор. Заряженные частицы, образованные протонными соударениями, проникают сквозь кремний, образовывая электронно-дырочные пары, электроны которых и регистрируются. Во время набора данных кремниевые сенсоры расположены по обе стороны пучка на расстоянии 7 мм. Всего в VELO находится 42 сенсорных единиц.

Черенковские счётчики RICH

Частица, летящая со скоростью, превышающей скорость света в среде, испускает характерное электромагнитное излучение, которое зависит от её скорости. Если на пути черенковского света поставить светочувствительную плоскость (например, сборку ФЭУ или многопроволочную камеру с рабочим газом с добавками светочувствительного пара), то угол θ определяется из радиуса кольца, образованного этой плоскостью и конусом черенковского света. Этот угол зависит лишь от радиуса кольца, поскольку фотодатчики располагают в фокальной плоскости собирающего зеркала. На этом принципе основаны так называемые черенковские счётчики с кольцевым изображением (Ring Image CHerenkov Detector, RICH).

Два таких счетчика используются на LHCb: первый расположен прямо за VELO и до триггер-трекера, второй — между внешним трекером и калориметрами. В качестве радиатора — среды, где происходит излучение черенковского света, — помимо углеродных газов используется искусственно созданное вещество, названное аэрогелем.

Трековая система

На следующем этапе идентификации частиц определяются импульсы вторичных частиц, образованных не только в результате самого pp-столкновения, но и распадов B-мезонов. Эта задача выполняется трековой системой (Tracking system), состоящей из магнита и двух модулей координатных детекторов, расположенных по обе стороны от магнита. Магнитное поле искривляет траекторию заряженных частиц, отклоняя их на некоторый угол, обратно пропорциональный импульсу частицы. Напряжённость поля в системе достигает 1 Т. Между защитным экраном, предотвращающим проникновение магнитного поля в VELO, и самим магнитом расположены трекерные станции (ТT), сделанные из кремния. За магнитом расположены три большие плоскости (Т1, Т2, ТЗ), состоящие из газовых трубок. Дополнительно, около пучка расположены внутренние трекеры (Inner Tracker).

Система калориметров

Следующей подсистемой LHCb является система калориметров. Структура системы состоит из сцинтилляционного счетчика (Scintillating Pad Detector, SPD), однослойного предливневого детектора (Pre-Shower Detector, PS), и двух больших калориметров типа «шашлык» — электромагнитного (Electromagnetic Calorimeter, ECAL) и адронного (Hadron Calorimeter, HCAL). Основной задачей является измерение энергий частиц. Также происходит отбор (по поперечной энергии) кандидатов для триггера первого уровня, который срабатывает спустя 4 мкс после столкновения. Идентификация электронов, фотонов и адронов проводится с помощью поиска и анализа кластеров энерговыделения в калориметрах, при этом также измеряются энергии и положение попавших в калориметры частиц. Высокоточное восстановление энергетических характеристик π₀-мезонов и прямых фотонов является важным фактором для определения аромата B-мезона, что необходимо для всего эксперимента.

Мюонная система

Поскольку суммарная радиационная длина пробега мюона для данных энергий превышает линейные размеры детектора, то они, в отличие от остальных частиц, проходят весь детектор навылет. Поэтому любой регистрируемый трек в мюонной камере означает пролёт мюона. Для их регистрации в конце детектора установлена специальная мюонная система. Она служит для идентификации мюонов и формирования сигнала триггера начального уровня L0. Мюонная система состоит из пяти станций М1-М5. Первая станция расположена перед калориметрической системой, остальные размещены за адронным калориметром HCAL и разделены железным фильтром.

История

Заявка о создании была одобрена Комитетом по экспериментам на LHC в 1995 году^[4].

Примечания

Ссылки

• Публичная страница детектора LHCb (англ.)
• Страница технической документации (англ.)
• Детектор LHCb на сайте «Элементы».

Эта страница в последний раз была отредактирована 10 июня 2023 в 14:18.