46°14′28″N 06°05′49″E / 46.24111°N 6.09694°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.
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:
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 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 .
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 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.
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]
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]
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 (Λ0b
) 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.
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]
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.
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.
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.
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". En 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.
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]
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]
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]