Experiência LHCb - LHCb experiment

Coordenadas : 46 ° 14′28 ″ N 06 ° 05′49 ″ E / 46,24111 ° N 6,09694 ° E / 46,24111; 6.09694

Grande Colisor de Hádrons
(LHC)

Experimentos do LHC
ATLAS	Um aparelho LHC toroidal
CMS	Solenóide de Muon Compacto
LHCb	LHC-beleza
ALICE	Um grande experimento de colisor de íons
TOTEM	Seção transversal total, dispersão elástica e dissociação de difração
LHCf	LHC-forward
MoEDAL	Detector monopolo e exótico no LHC
MAIS RÁPIDO	Experimento de Pesquisa ForwArd
Pré-aceleradores LHC
p e Pb	Aceleradores lineares para prótons (Linac 4) e chumbo (Linac 3)
(não marcado)	Intensificador de Síncrotron de Prótons
PS	Síncrotron de prótons
SPS	Super Proton Synchrotron

O experimento LHCb ( Large Hadron Collider beauty ) é um dos oito experimentos de detecção de física de partículas que coletam dados no Large Hadron Collider no CERN . LHCb é um experimento de física b especializado , projetado principalmente para medir os parâmetros de violação de CP nas interações de b- hadrons (partículas pesadas contendo um quark bottom ). Esses estudos podem ajudar a explicar a assimetria matéria-antimatéria do Universo. O detector também é capaz de realizar medições de seções transversais de produção, espectroscopia de hadron exótico , física de charme e física eletrofraca na região dianteira. A colaboração do LHCb, que construiu, opera e analisa os dados do experimento, é composta por aproximadamente 1260 pessoas de 74 institutos científicos, representando 16 países. Chris Parkes foi bem-sucedido em 1 de julho de 2020 como porta-voz da colaboração para Giovanni Passaleva (porta-voz 2017-2020). O experimento está localizado no ponto 8 do túnel do LHC perto de Ferney-Voltaire , França , logo depois da fronteira de Genebra . O (pequeno) experimento MoEDAL compartilha a mesma caverna.

Objetivos de física

O experimento tem um amplo programa de física cobrindo muitos aspectos importantes do sabor pesado ( beleza e charme), física eletrofraca e cromodinâmica quântica (QCD). Seis medições-chave foram identificadas envolvendo mésons B. Eles são descritos em um documento de roteiro que formou o programa de física central para o primeiro LHC de alta energia em execução em 2010-2012. Eles incluem:

• Medir a razão de ramificação do raro B _s → μ ⁺ μ ^- decaimento.
• Medindo a assimetria para frente e para trás do par de múons na corrente neutra que muda o sabor B _d → K ^* μ ⁺ μ ^- decaimento. Essa corrente neutra de mudança de sabor não pode ocorrer em nível de árvore no Modelo Padrão de Física de Partículas, e ocorre apenas por meio dos diagramas de Feynman de caixa e loop; propriedades da decadência podem ser fortemente modificadas por novas físicas.
• Medindo a fase de violação de CP no decaimento B _s → J / ψ φ, causada pela interferência entre os decaimentos com e sem oscilações de B _s . Esta fase é um dos observáveis ​​CP com a menor incerteza teórica no Modelo Padrão e pode ser significativamente modificada pela nova física.
• Propriedades de medição de decaimentos radiativos B, ou seja, meson B decai com fótons nos estados finais. Especificamente, estes são, novamente, decaimentos de corrente neutros que mudam o sabor .
• Determinação em nível de árvore do ângulo do triângulo unitário γ.
• Determinações B carregadas sem charme de dois corpos.

O detector LHCb

O fato de os dois b-hadrons serem produzidos predominantemente no mesmo cone dianteiro é explorado no layout do detector LHCb. O detector LHCb é um espectrômetro de braço único com cobertura angular polar de 10 a 300 miliradianos (mrad) no plano horizontal e 250 mrad no plano vertical. A assimetria entre o plano horizontal e vertical é determinada por um grande ímã dipolo com o componente de campo principal na direção vertical.

Subsistemas

O Vertex Locator (VELO) é construído em torno da região de interação do próton. É usado para medir as trajetórias das partículas próximas ao ponto de interação para separar com precisão os vértices primários e secundários.

O detector opera a 7 milímetros (0,28 pol.) Do feixe do LHC. Isso implica um enorme fluxo de partículas; O VELO foi projetado para suportar fluências integradas de mais de 10 ¹⁴  p / cm ² por ano por um período de cerca de três anos. O detector opera em vácuo e é resfriado a aproximadamente −25 ° C (−13 ° F) usando um sistema de CO ₂ bifásico . Os dados do detector VELO são amplificados e lidos pelo Beetle ASIC .

O detector RICH-1 (detector Cherenkov de imagem de anel ) está localizado diretamente após o detector de vértice. É usado para identificação de partículas de trilhas de baixo momento .

O principal sistema de rastreamento é colocado antes e depois do ímã dipolo. É usado para reconstruir as trajetórias de partículas carregadas e medir seus momentos. O rastreador consiste em três subdetectores:

• O Tracker Turicensis, um detector de fita de silício localizado antes do imã dipolo LHCb
• O Rastreador Externo. Um detector com base em tubo de palha localizado após o ímã dipolo cobrindo a parte externa da aceitação do detector
• O Rastreador Interno, detector baseado em fita de silicone localizado após o ímã dipolo cobrindo a parte interna da aceitação do detector

Seguindo o sistema de rastreamento está RICH-2. Ele permite a identificação do tipo de partícula das trilhas de alto momento.

Os calorímetros eletromagnéticos e hadrônicos fornecem medições da energia de elétrons , fótons e hádrons . Essas medições são usadas no nível de disparo para identificar as partículas com grande momento transversal (partículas de alto Pt).

O sistema múon é usado para identificar e gatilho em múons nos eventos.

Atualização do LHCb (2019–2021)

No final de 2018, o LHC foi desligado para atualizações, com uma reinicialização atualmente planejada para o início de 2022. Para o detector LHCb, quase todos os subdetectores devem ser modernizados ou substituídos. Ele receberá um sistema de rastreamento totalmente novo composto por um localizador de vértice modernizado, rastreador upstream (UT) e rastreador de fibra cintiladora (SciFi). Os detectores RICH também serão atualizados, assim como toda a eletrônica do detector. No entanto, a mudança mais importante é a mudança para o gatilho totalmente de software do experimento, o que significa que cada colisão registrada será analisada por programas de software sofisticados sem uma etapa de filtragem de hardware intermediária (que foi considerada um gargalo no passado).

Resultados

Durante a execução próton-próton de 2011, o LHCb registrou uma luminosidade integrada de 1 fb ⁻¹ a uma energia de colisão de 7 TeV. Em 2012, cerca de 2 fb ⁻¹ foram coletados a uma energia de 8 TeV. Durante 2015-2018 (Execução 2 do LHC), cerca de 6 fb ⁻¹ foi coletado em uma energia do centro de massa de 13 TeV. Além disso, pequenas amostras foram coletadas em colisões próton-chumbo, chumbo-chumbo e xenônio-xenônio. O projeto do LHCb também permitiu o estudo de colisões de feixes de partículas com um gás (hélio ou neon) injetado dentro do volume VELO, tornando-o semelhante a um experimento de alvo fixo; esta configuração é normalmente referida como "SMOG". Esses conjuntos de dados permitem a colaboração para realizar o programa de física de testes de modelo padrão de precisão com muitas medições adicionais. Em 2021, o LHCb publicou mais de 500 artigos científicos.

Espectroscopia de hádrons

O LHCb foi projetado para estudar a beleza e o encanto dos hadrões . Além de estudos de precisão das partículas conhecidas, como o misterioso X (3872) , vários novos hádrons foram descobertos pelo experimento. Em 2021, todos os quatro experimentos do LHC descobriram cerca de 60 novos hádrons no total, a grande maioria dos quais pelo LHCb. Em 2015, a análise da decadência dos bárions lambda inferiores (Λ⁰
_b) no experimento LHCb revelou a aparente existência de pentaquarks , no que foi descrito como uma descoberta "acidental". Outras descobertas notáveis ​​são as do bárion "duplamente encantado" em 2017, sendo um primeiro bárion conhecido com dois quarks pesados; e do Tetraquark totalmente encantado em 2020, feito de dois quarks de charme e dois antiquarks de charme. ${\ displaystyle \ Xi _ {\ rm {cc}} ^ {++}}$${\ displaystyle \ mathrm {T} _ {\ rm {cccc}}}$

Hádrons descobertos no LHCb. O termo 'excitado' para bárions e mésons significa a existência de um estado de massa inferior com o mesmo conteúdo de quark e isospin.

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

Violação de CP e mistura

Estudos de violação de paridade de carga (CP) em decaimentos de méson B é o objetivo principal do experimento LHCb. A partir de 2021, as medições do LHCb confirmam com notável precisão a imagem descrita pelo triângulo unitário CKM . O ângulo do triângulo unitário é agora conhecido em cerca de 4 °, e está de acordo com as determinações indiretas. ${\ displaystyle \ gamma \, \, (\ alpha _ {3})}$

Em 2019, o LHCb anunciou a descoberta de violação de CP em decaimentos de mésons de charme. Esta é a primeira vez que a violação de CP é vista em decaimentos de partículas que não sejam kaons ou mésons B. A taxa de assimetria CP observada está no limite superior das previsões teóricas existentes, o que despertou algum interesse entre os teóricos de partículas sobre o possível impacto da física além do modelo padrão.

Em 2020, o LHCb anunciou a descoberta de violação de CP dependente do tempo em decaimentos de mésons B _s . A frequência de oscilação dos mesons B _s para sua antipartícula e vice-versa foi medida com grande precisão em 2021.

Decadências raras

Decaimentos raros são os modos de decaimento severamente suprimidos no Modelo Padrão, o que os torna sensíveis a efeitos potenciais de mecanismos físicos ainda desconhecidos.

Em 2014, os experimentos do LHCb e do CMS publicaram um artigo conjunto na Nature anunciando a descoberta da decomposição muito rara , cuja taxa foi encontrada perto das previsões do Modelo Padrão. Esta medição limitou severamente o possível espaço de parâmetros das teorias de supersimetria, que previram um grande aumento na taxa. Desde então, o LHCb publicou vários artigos com medidas mais precisas neste modo de decaimento. ${\ displaystyle \ mathrm {B} _ {\ rm {s}} ^ {0} \ to \ mu ^ {+} \ mu ^ {-}}$

Anomalias foram encontradas em vários decaimentos raros de mésons B. O exemplo mais famoso no chamado observável angular foi encontrado na decadência , onde o desvio entre os dados e a previsão teórica persiste há anos. As taxas de decomposição de várias decomposições raras também diferem das previsões teóricas, embora as últimas tenham incertezas consideráveis. ${\ displaystyle \ mathrm {P} _ {5} ^ {'}}$${\ displaystyle \ mathrm {B} ^ {0} \ to \ mathrm {K} ^ {* 0} \ mu ^ {+} \ mu ^ {-}}$

Universalidade do sabor Lepton

No modelo padrão, espera-se que os acoplamentos de léptons carregados (elétron, múon e tau leptão) aos bósons de calibre sejam idênticos, com a única diferença emergindo das massas do leptão. Este postulado é conhecido como "universalidade do sabor de leptão". Como conseqüência, em decaimentos de b hadrons, elétrons e múons devem ser produzidos em taxas semelhantes, e a pequena diferença devido às massas dos leptões é precisamente calculável.

O LHCb encontrou desvios dessas previsões comparando a taxa de deterioração com a de e em processos semelhantes. No entanto, como os decaimentos em questão são muito raros, um conjunto de dados maior precisa ser analisado para se chegar a conclusões definitivas. ${\ displaystyle \ mathrm {B} ^ {+} \ to \ mathrm {K} ^ {+} \ mu ^ {+} \ mu ^ {-}}$${\ displaystyle \ mathrm {B} ^ {+} \ to \ mathrm {K} ^ {+} \ mathrm {e} ^ {+} \ mathrm {e} ^ {-}}$

Em março de 2021, o LHCb anunciou que a anomalia na universalidade do leptão ultrapassou o limite de significância estatística "3 sigma " , que se traduz em um valor p de 0,1%. O valor medido de , onde o símbolo denota a probabilidade de ocorrer uma determinada queda, foi encontrado, enquanto o modelo padrão prevê que está muito próximo da unidade. ${\ displaystyle R _ {\ rm {K}} = {\ frac {{\ mathcal {B}} (\ mathrm {B} ^ {+} \ to \ mathrm {K} ^ {+} \ mu ^ {+} \ mu ^ {-})} {{\ mathcal {B}} (\ mathrm {B} ^ {+} \ to \ mathrm {K} ^ {+} \ mathrm {e} ^ {+} \ mathrm {e } ^ {-})}}}$${\ displaystyle {\ mathcal {B}}}$${\ displaystyle 0,846 _ {- 0,041} ^ {+ 0,044}}$

Outras medidas

O LHCb contribuiu para estudos de cromodinâmica quântica, física eletrofraca e forneceu medições de seção transversal para física de astropartículas.

Veja também

• Fábrica B

Referências

links externos

• Mídia relacionada ao LHCb no Wikimedia Commons
• Página pública do LHCb
• Seção LHCb do site dos EUA / LHC
• A. Augusto Alves Jr. et al. (Colaboração LHCb) (2008). "O detector LHCb no LHC" . Journal of Instrumentation . 3 (8): S08005. Bibcode : 2008JInst ... 3S8005T . doi : 10.1088 / 1748-0221 / 3/08 / S08005 . hdl : 10251/54510 . (Documentação de design completa)