Experimento LHCb

Experimento en el Gran Colisionador de Hadrones

46°14′28″N 06°05′49″E / 46.24111, -6.09694

El experimento LHCb ( Large Hadron Collider beauty ) es un experimento de detección de física de partículas que recopila datos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN . ^[1] LHCb es un experimento especializado en física b , diseñado principalmente para medir los parámetros de violación de CP en las interacciones de b -hadrones (partículas pesadas que contienen un quark bottom ). Dichos estudios pueden ayudar a explicar la asimetría materia-antimateria del Universo. El detector también puede realizar mediciones de secciones eficaces de producción, espectroscopia de hadrones exóticos , física de encanto y física electrodébil en la región delantera. Los colaboradores de LHCb, que construyeron, operan y analizan datos del experimento, están compuestos por aproximadamente 1650 personas de 98 institutos científicos, que representan a 22 países. ^[2] Vincenzo Vagnoni ^[3] sucedió el 1 de julio de 2023 como portavoz de la colaboración a Chris Parkes (portavoz 2020-2023). ^[4] El experimento está ubicado en el punto 8 del túnel del LHC, cerca de Ferney-Voltaire , Francia , justo al otro lado de la frontera con Ginebra . El (pequeño) experimento MoEDAL comparte la misma caverna.

Objetivos de la física

El experimento cuenta con un amplio programa de física que cubre muchos aspectos importantes de la física de sabores fuertes (tanto belleza como encanto), electrodébil y cromodinámica cuántica (QCD). Se han identificado seis mediciones clave que involucran mesones B. Estas se describen en un documento de hoja de ruta ^[5] que formó el programa de física central para el primer LHC de alta energía que funcionó entre 2010 y 2012. Estas incluyen:

• Medición de la relación de ramificación de la rara desintegración B _s → μ ⁺ μ ^{− .}
• Medición de la asimetría hacia delante y hacia atrás del par de muones en la desintegración de la corriente neutra que cambia el sabor B _d → K ^* μ ⁺ μ ⁻ . Una corriente neutra que cambia el sabor de esta manera no puede ocurrir a nivel de árbol en el Modelo Estándar de Física de Partículas, y solo ocurre a través de diagramas de Feynman de caja y bucle; las propiedades de la desintegración pueden ser modificadas fuertemente por la nueva física.
• Medición de la fase violatoria de CP en la desintegración B _s → J/ψ φ, causada por la interferencia entre las desintegraciones con y sin oscilaciones de B _s . Esta fase es uno de los observables de CP con la menor incertidumbre teórica en el Modelo Estándar y puede ser modificada significativamente por la nueva física.
• Medición de las propiedades de las desintegraciones radiativas B, es decir, las desintegraciones de mesones B con fotones en los estados finales. En concreto, se trata de desintegraciones de corriente neutra que cambian de sabor .
• Determinación a nivel de árbol del ángulo triangular unitario γ.
• La molécula B de dos cuerpos cargada y sin encanto se desintegra.

El detector LHCb

El hecho de que los dos b-hadrones se produzcan predominantemente en el mismo cono delantero se aprovecha en el diseño del detector LHCb. El detector LHCb es un espectrómetro delantero de un solo brazo con una cobertura angular polar de 10 a 300 milirradianes (mrad) en el plano horizontal y 250 mrad en el vertical. La asimetría entre el plano horizontal y el vertical está determinada por un gran imán dipolar con el componente de campo principal en la dirección vertical.

El logotipo de la colaboración LHCb

Subsistemas

El localizador de vértices (VELO) está construido alrededor de la región de interacción de protones. ^{[6] [7]} Se utiliza para medir las trayectorias de partículas cercanas al punto de interacción con el fin de separar con precisión los vértices primarios y secundarios.

El detector opera a 7 milímetros (0,28 pulgadas) del haz del LHC. Esto implica un enorme flujo de partículas; VELO ha sido diseñado para soportar fluencias integradas de más de 10 ¹⁴  p/cm ² por año durante un período de aproximadamente tres años. El detector opera en vacío y se enfría a aproximadamente -25 °C (-13 °F) utilizando un sistema bifásico de CO ₂ . Los datos del detector VELO son amplificados y leídos por el ASIC Beetle .

VELO

• 
  El localizador de vértices (VELO) durante la construcción.
• 
  Un elemento de VELO

El detector RICH-1 ( detector Cherenkov de imágenes en anillo ) se encuentra directamente después del detector de vértices y se utiliza para la identificación de partículas en trayectorias de bajo momento .

El sistema de seguimiento principal se coloca antes y después del imán dipolar. Se utiliza para reconstruir las trayectorias de las partículas cargadas y medir sus momentos. El rastreador consta de tres subdetectores:

• El Tracker Turicensis, un detector de tiras de silicio situado delante del imán dipolar del LHCb
• El rastreador externo. Un detector basado en un tubo de paja ubicado después del imán dipolar que cubre la parte externa del detector de aceptación.
• El rastreador interno, un detector basado en una tira de silicio ubicado después del imán dipolar que cubre la parte interna del detector de aceptación.

El siguiente sistema de seguimiento es el RICH-2, que permite identificar el tipo de partícula de las pistas de alto momento.

Los calorímetros electromagnéticos y hadrónicos proporcionan mediciones de la energía de electrones , fotones y hadrones . Estas mediciones se utilizan a nivel de activación para identificar partículas con un gran momento transversal (partículas con alto contenido de Pt).

El sistema de muones se utiliza para identificar y activar muones en los eventos.

Actualización del LHCb (2019-2021)

A finales de 2018, el LHC se cerró para realizar actualizaciones, y actualmente se prevé reiniciarlo a principios de 2022. En el caso del detector LHCb, se modernizarán o reemplazarán casi todos los subdetectores. ^[8] Tendrá un sistema de seguimiento completamente nuevo compuesto por un localizador de vértices modernizado, un rastreador ascendente (UT) y un rastreador de fibra de centelleo (SciFi). Los detectores RICH también se actualizarán, así como toda la electrónica del detector. Sin embargo, el cambio más importante es el cambio al disparador de software completo del experimento, lo que significa que cada colisión registrada será analizada por sofisticados programas de software sin un paso intermedio de filtrado de hardware (que se consideró un cuello de botella en el pasado). ^[9]

Resultados

Durante la corrida protón-protón de 2011, el LHCb registró una luminosidad integrada de 1 fb ⁻¹ a una energía de colisión de 7 TeV. En 2012, se recogieron alrededor de 2 fb ^{−1 a una energía de 8 TeV. [10]} Durante 2015-2018 (Run 2 del LHC), se recogieron alrededor de 6 fb ⁻¹ a una energía de centro de masa de 13 TeV. Además, se recogieron pequeñas muestras en colisiones protón-plomo, plomo-plomo y xenón-xenón. El diseño del LHCb también permitió el estudio de colisiones de haces de partículas con un gas (helio o neón) inyectado dentro del volumen VELO, lo que lo hace similar a un experimento de objetivo fijo; esta configuración generalmente se conoce como "SMOG". ^[11] Estos conjuntos de datos permiten la colaboración para llevar a cabo el programa de física de pruebas de precisión del Modelo Estándar con muchas mediciones adicionales. Hasta 2021, LHCb ha publicado más de 500 artículos científicos. ^[12]

Espectroscopia de hadrones

El LHCb está diseñado para estudiar la belleza y el encanto de los hadrones . Además de los estudios de precisión de las partículas conocidas, como la misteriosa X(3872) , el experimento ha descubierto varios hadrones nuevos. En 2021, los cuatro experimentos del LHC han descubierto unos 60 hadrones nuevos en total, la gran mayoría de ellos gracias al LHCb. ^[13] En 2015, el análisis de la desintegración de los bariones lambda inferiores (Λ^0b
_​) en el experimento LHCb reveló la aparente existencia de pentaquarks , ^{[14] [15]} en lo que se describió como un descubrimiento "accidental". ^[16] Otros descubrimientos notables son los del barión "doblemente encantado" en 2017, siendo el primer barión conocido con dos quarks pesados; y del tetraquark completamente encantado en 2020, hecho de dos quarks encantados y dos antiquarks encantados. ${\displaystyle \Xi _{\rm {cc}}^{++}}$ ${\displaystyle \mathrm {T} _{\rm {cccc}}}$

1. Las abreviaturas son la primera letra del nombre del quark ( up = 'u', down = 'd', top = 't', bottom = 'b', charmed = 'c', strange = 's'). Los antiquarks tienen barras superpuestas.
2. Combinación de quarks hasta ahora desconocida
3. Combinación de quarks hasta ahora desconocida; primer barión con dos quarks encantadores y la única partícula de desintegración débil descubierta hasta ahora en el LHC.
4. Simultáneo con CMS ; CMS no tenía suficientes datos para reclamar el descubrimiento.
5. Combinación de quarks desconocida hasta ahora; primer tetraquark compuesto exclusivamente de quarks charm
6. Combinación de quarks hasta ahora desconocida; primer tetraquark en el que todos los quarks son diferentes

Violación y mezcla de CP

Los estudios de la violación de la paridad de carga (CP) en las desintegraciones de mesones B son el principal objetivo de diseño del experimento LHCb. A partir de 2021, las mediciones de LHCb confirman con una precisión notable la imagen descrita por el triángulo unitario CKM . El ángulo del triángulo unitario ahora se conoce con una precisión de aproximadamente 4° y concuerda con las determinaciones indirectas. ^[20] ${\displaystyle \gamma \,\,(\alpha _{3})}$

En 2019, LHCb anunció el descubrimiento de una violación de CP en las desintegraciones de mesones charm. ^[21] Esta es la primera vez que se observa una violación de CP en las desintegraciones de partículas distintas de kaones o mesones B. La tasa de asimetría de CP observada está en el límite superior de las predicciones teóricas existentes, lo que desencadenó cierto interés entre los teóricos de partículas con respecto al posible impacto de la física más allá del Modelo Estándar. ^[22]

En 2020, LHCb anunció el descubrimiento de una violación de CP dependiente del tiempo en las desintegraciones de los mesones B _s . ^[23] La frecuencia de oscilación de los mesones B _s a su antipartícula y viceversa se midió con gran precisión en 2021.

Desintegraciones raras

Las desintegraciones raras son modos de desintegración severamente suprimidos en el Modelo Estándar, lo que los hace sensibles a efectos potenciales de mecanismos físicos aún desconocidos.

En 2014, los experimentos LHCb y CMS publicaron un artículo conjunto en Nature anunciando el descubrimiento de la muy rara desintegración , cuya tasa se encontró cercana a las predicciones del Modelo Estándar. ^[24] Esta medición ha limitado severamente el posible espacio de parámetros de las teorías de supersimetría, que han predicho una gran mejora en la tasa. Desde entonces, LHCb ha publicado varios artículos con mediciones más precisas en este modo de desintegración. ${\displaystyle \mathrm {B} _{\rm {s}}^{0}\to \mu ^{+}\mu ^{-}}$

Se encontraron anomalías en varias desintegraciones raras de mesones B. El ejemplo más famoso en el llamado observable angular se encontró en la desintegración , donde la desviación entre los datos y la predicción teórica ha persistido durante años. ^[25] Las tasas de desintegración de varias desintegraciones raras también difieren de las predicciones teóricas, aunque estas últimas tienen incertidumbres considerables. ${\displaystyle \mathrm {P} _{5}^{'}}$ ${\displaystyle \mathrm {B} ^{0}\to \mathrm {K} ^{*0}\mu ^{+}\mu ^{-}}$

Universalidad del sabor del leptón

En el Modelo Estándar, se espera que los acoplamientos de los leptones cargados (electrón, muón y leptón tau) a los bosones de calibración sean idénticos, y que la única diferencia surja de las masas de los leptones. Este postulado se conoce como "universalidad del sabor leptónico". Como consecuencia, en las desintegraciones de los hadrones b, los electrones y los muones deberían producirse a tasas similares, y la pequeña diferencia debida a las masas de los leptones es calculable con precisión.

LHCb ha encontrado desviaciones de estas predicciones al comparar la tasa de desintegración con la de ^[26] y en procesos similares. ^{[27] [28]} Sin embargo, como las desintegraciones en cuestión son muy raras, se necesita analizar un conjunto de datos más grande para sacar conclusiones definitivas. ${\displaystyle \mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mu ^{+}\mu ^{-}}$ ${\displaystyle \mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mathrm {e} ^{+}\mathrm {e} ^{-}}$

En marzo de 2021, el LHCb anunció que la anomalía en la universalidad de los leptones cruzó el umbral de significación estadística de "3 sigma " , lo que se traduce en un valor p del 0,1 %. ^[29] Se encontró que el valor medido de , donde el símbolo denota la probabilidad de que ocurra una desintegración determinada, era mientras que el Modelo Estándar predice que está muy cerca de la unidad. ^[30] En diciembre de 2022, las mediciones mejoradas descartaron esta anomalía. ^{[31] [32] [33]} ${\displaystyle R_{\rm {K}}={\frac {{\mathcal {B}}(\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mu ^{+}\mu ^{-})}{{\mathcal {B}}(\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mathrm {e} ^{+}\mathrm {e} ^{-})}}}$ ${\displaystyle {\mathcal {B}}}$ ${\displaystyle 0.846_{-0.041}^{+0.044}}$

En agosto de 2023, las búsquedas conjuntas de desintegraciones leptónicas por parte del LHCb y de desintegraciones semileptónicas por parte de Belle II (con ) establecieron nuevos límites para las violaciones de universalidad. ^{[31] [32] [34] [35]} ${\displaystyle b\rightarrow s\ell ^{+}\ell ^{-}}$ ${\displaystyle b\rightarrow s\ell \nu }$ ${\displaystyle \ell =e,\mu }$

Otras medidas

El LHCb ha contribuido a los estudios de cromodinámica cuántica, física electrodébil y ha proporcionado mediciones de sección transversal para la física de astropartículas. ^[36]

Véase también

• Fábrica B
• Experimento Belle II

Referencias

1. Belyaev, yo; Carboni, G.; Harnew, N.; Teubert, C. Matteuzzi F. (13 de enero de 2021). "La historia del LHCB". La revista física europea H. 46 (1): 3. arXiv : 2101.05331 . Código Bib : 2021EPJH...46....3B. doi :10.1140/epjh/s13129-021-00002-z. S2CID  231603240.
2. "Organización LHCb".
3. Colaboración LHCb (5 de julio de 2023). «Nueva gestión de la colaboración LHCb en 2023». CERN . Consultado el 5 de febrero de 2024 .
4. "Nuevo portavoz de la colaboración LHCb". LHCb, CERN . Consultado el 5 de febrero de 2024 .
5. B. Adeva et al (colaboración LHCb) (2009). "Hoja de ruta para mediciones clave seleccionadas de LHCb". arXiv : 0912.4179 [hep-ex].
6. [1] Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine , El LHCb VELO (del grupo VELO)
7. [2], Páginas públicas de VELO
8. "Transformando el LHCb: ¿Qué nos espera en los próximos dos años?". CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
9. "La iniciativa Allen, apoyada por CERN OpenLab, es clave para la actualización del disparador del LHCb". CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
10. "Luminosities Run1" . Consultado el 14 de diciembre de 2017 .Gráficos de luminosidad del LHC de 2012
11. "Nuevo SMOG en el horizonte". CERN Courier . 2020-05-08 . Consultado el 2021-03-21 .
12. "LHCb - Experimento de belleza del Gran Colisionador de Hadrones". lhcb-public.web.cern.ch . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
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14. "Observación de partículas compuestas por cinco quarks, estados pentaquark-charmonium, vistas en desintegraciones Λ0b→J/ψpK−". CERN /LHCb. 14 de julio de 2015. Consultado el 14 de julio de 2015 .
15. R. Aaij y otros. (Colaboración LHCb) (2015). "Observación de resonancias J/ψp consistentes con estados de pentaquark en Λ^0b
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17. "Nuevas partículas descubiertas en el LHC". www.nikhef.nl . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
18. "Observación de un pentaquark extraño, un tetraquark doblemente cargado y su compañero neutral".
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22. Dery, Avital; Nir, Yosef (diciembre de 2019). "Implicaciones del descubrimiento de LHCb de la violación de CP en desintegraciones de encanto". Journal of High Energy Physics . 2019 (12): 104. arXiv : 1909.11242 . Bibcode :2019JHEP...12..104D. doi :10.1007/JHEP12(2019)104. ISSN  1029-8479. S2CID  202750063.
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27. "LHCb explora la belleza de la universalidad de los leptones". CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
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35. Wright, Katherine (2023-08-02). "El modelo estándar se mantiene fuerte para los leptones". Física . 16 (5): s91. arXiv : 2301.08266 . Código Bibliográfico :2023PhRvL.131e1804A. doi :10.1103/PhysRevLett.131.051804. PMID  37595249. S2CID  256080428.
36. Fontana, Marianna (19 de octubre de 2017). "Aportes del LHCb a la física de astropartículas". Actas de la Conferencia de la Sociedad Europea de Física sobre Física de Altas Energías . Vol. 314. Venecia, Italia: Sissa Medialab. pág. 832. doi : 10.22323/1.314.0832 .

Enlaces externos

• Medios relacionados con LHCb en Wikimedia Commons
• Página web pública del LHCb
• Sección LHCb del sitio web US/LHC Archivado el 14 de agosto de 2020 en Wayback Machine
• A. Augusto Alves Jr. et al. (Colaboración LHCb) (2008). "El detector LHCb en el LHC". Revista de instrumentación . 3 (8): S08005. Código Bib : 2008JInst...3S8005L. doi :10.1088/1748-0221/3/08/S08005. hdl : 10251/54510 . S2CID  250673998.(Documentación de diseño completa)
• Registro del experimento LHCb en INSPIRE-HEP