46°14′28″N 06°05′49″E / 46.24111°N 6.09694°E / 46.24111; 6.09694
El experimento LHCb ( Gran Colisionador de Hadrones de belleza ) 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 de física b , diseñado principalmente para medir los parámetros de violación de CP en las interacciones de b- hadrones (partículas pesadas que contienen un quark inferior ). Estos estudios pueden ayudar a explicar la asimetría materia-antimateria del Universo. El detector también es capaz de realizar mediciones de secciones transversales de producción, espectroscopía de hadrones exóticos , física de encanto y física electrodébil en la región delantera. La colaboración del LHCb, que construyó, operó y analizó los datos del experimento, está compuesta 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 de 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 tiene un amplio programa de física que cubre muchos aspectos importantes del sabor intenso (tanto la belleza como el encanto), la física electrodébil y la cromodinámica cuántica (QCD). Se han identificado seis mediciones clave que involucran a los mesones B. Estos se describen en un documento de hoja de ruta [5] que formó el programa central de física para el primer LHC de alta energía que funcionó en 2010-2012. Incluyen:
El hecho de que los dos hadrones b se produzcan predominantemente en el mismo cono delantero se aprovecha en el diseño del detector LHCb. El detector LHCb es un espectrómetro frontal de un solo brazo con una cobertura angular polar de 10 a 300 miliradianes (mrad) en el plano horizontal y 250 mrad en el plano vertical. La asimetría entre el plano horizontal y el vertical está determinada por un gran imán dipolo con el componente principal del campo en la dirección vertical.
El localizador de vértices (VELO) se construye alrededor de la región de interacción de protones. [6] [7] Se utiliza para medir las trayectorias de las partículas cercanas al punto de interacción para separar con precisión los vértices primarios y secundarios.
El detector funciona 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 funciona al vacío y se enfría a aproximadamente −25 °C (−13 °F) mediante un sistema de CO 2 bifásico . Los datos del detector VELO son amplificados y leídos por el Beetle ASIC .
El detector RICH-1 ( detector Cherenkov de imágenes en anillo ) está ubicado directamente después del detector de vértice. Se utiliza para la identificación de partículas en pistas de bajo impulso .
El sistema de seguimiento principal se coloca antes y después del imán dipolo. Se utiliza para reconstruir las trayectorias de partículas cargadas y medir sus momentos. El rastreador consta de tres subdetectores:
Siguiendo el sistema de seguimiento está RICH-2. Permite la identificación del tipo de partículas de 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 las 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 planea reiniciarlo para principios de 2022. En el caso del detector LHCb, casi todos los subdetectores deben modernizarse o reemplazarse. [8] Obtendrá un sistema de seguimiento completamente nuevo compuesto por un localizador de vértices modernizado, un rastreador ascendente (UT) y un rastreador de fibra centelleante (SciFi). También se actualizarán los detectores RICH, así como toda la electrónica del detector. Sin embargo, el cambio más importante es el cambio al disparador del experimento totalmente software, lo que significa que cada colisión registrada será analizada por sofisticados programas de software sin un paso intermedio de filtrado de hardware (que en el pasado resultó ser un cuello de botella). [9]
Durante la carrera protón-protón de 2011, el LHCb registró una luminosidad integrada de 1 fb −1 con una energía de colisión de 7 TeV. En 2012, se recolectaron alrededor de 2 fb −1 con una energía de 8 TeV. [10] Durante 2015-2018 (Ejecución 2 del LHC), se recolectaron alrededor de 6 fb −1 en una energía del 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 las colisiones de haces de partículas con un gas (helio o neón) inyectado dentro del volumen VELO, haciéndolo similar a un experimento de objetivo fijo; Esta configuración suele denominarse "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]
LHCb está diseñado para estudiar la belleza y el encanto de los hadrones . Además de los estudios de precisión de partículas conocidas como la misteriosa X(3872) , el experimento ha descubierto una serie de nuevos hadrones. Hasta 2021, los cuatro experimentos del LHC han descubierto alrededor de 60 nuevos hadrones en total, la gran mayoría de los cuales mediante el LHCb. [13] En 2015, el análisis de la desintegración de los bariones lambda inferiores (Λ0
segundo) 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 un primer barión conocido con dos quarks pesados; y del tetraquark completamente encantado en 2020, formado por dos quarks charm y dos antiquarks charm.
Los estudios de la violación de la paridad de carga (CP) en las desintegraciones del mesón B son el objetivo principal del diseño del experimento LHCb. A partir de 2021, las mediciones del LHCb confirman con notable precisión la imagen descrita por el triángulo unitario CKM . Ahora se conoce que el ángulo del triángulo unitario es de aproximadamente 4° y concuerda con determinaciones indirectas. [20]
En 2019, LHCb anunció el descubrimiento de una violación de CP en la desintegración de mesones charm. [21] Esta es la primera vez que se observa una violación de CP en desintegraciones de partículas distintas de kaones o mesones B. La tasa de asimetría CP observada se encuentra en el límite superior de las predicciones teóricas existentes, lo que despertó cierto interés entre los teóricos de partículas sobre el 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 la desintegración de los mesones B s . [23] La frecuencia de oscilación de los mesones B s con respecto a su antipartícula y viceversa se midió con gran precisión en 2021.
Las desintegraciones raras son los modos de desintegración duramente 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 una desintegración muy rara , cuya velocidad 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, el LHCb ha publicado varios artículos con mediciones más precisas en este modo de desintegración.
Se encontraron anomalías en varias desintegraciones raras de los mesones B. El ejemplo más famoso del llamado observable angular se encontró en la desintegración , donde la desviación entre los datos y la predicción teórica persiste 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 leptones cargados (electrones, muones y leptones tau) a los bosones de calibre sean idénticos, y la única diferencia surge de las masas de los leptones. Este postulado se conoce como "universalidad del sabor leptón". Como consecuencia, en las desintegraciones de los hadrones b, los electrones y los muones deberían producirse a velocidades similares, y la pequeña diferencia debida a las masas de los leptones es calculable con precisión.
LHCb ha encontrado desviaciones de estas predicciones comparando la velocidad de desintegración con la de , [26] y en procesos similares. [27] [28] Sin embargo, como las desintegraciones en cuestión son muy raras, es necesario analizar un conjunto de datos más amplio para llegar a conclusiones definitivas.
En marzo de 2021, LHCb anunció que la anomalía en la universalidad de los leptones cruzó el umbral de significación estadística "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 determinada decadencia, es 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 del LHCb y de desintegraciones semileptónicas de Belle II (con ) establecieron nuevos límites para las violaciones de la universalidad.[31] [32] [34] [35]
LHCb ha contribuido a estudios de cromodinámica cuántica, física electrodébil y ha proporcionado mediciones de secciones transversales para física de astropartículas. [36]
Medios relacionados con LHCb en Wikimedia Commons
