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Coordenadas : 46 ° 14′28 ″ N 06 ° 05′49 ″ E / 46.24111°N 6.09694°E / 46.24111; 6.09694

El experimento LHCb ( belleza del Gran Colisionador de Hadrones ) es uno de los ocho experimentos de detección de partículas físicas que recopilan datos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN . [1] LHCb es un experimento de física b especializado , diseñado principalmente para medir los parámetros de violación de CP en las interacciones de hadrones b (partículas pesadas que contienen un quark de fondo ). Estos estudios pueden ayudar a explicar la asimetría materia-antimateria del Universo. El detector también puede realizar mediciones de secciones transversales de producción, espectroscopia de hadrones exóticos , encantofísica y física electrodébil en la región delantera. La colaboración del LHCb, que construyó, opera y analiza los datos del experimento, está compuesta por aproximadamente 1260 personas de 74 institutos científicos, que representan a 16 países. [2] Chris Parkes [3] tuvo éxito el 1 de julio de 2020 como portavoz de la colaboración con Giovanni Passaleva (portavoz 2017-2020). [4] El experimento se encuentra 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 física [ editar ]

El experimento tiene un amplio programa de física que cubre muchos aspectos importantes de la física de gran sabor (tanto belleza como encanto), electrodinámica y cromodinámica cuántica (QCD). Se han identificado seis medidas clave que involucran mesones B. Estos 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 se ejecutó en 2010-2012. Incluyen:

  • La medición de la relación de derivación de la rara B s → μ + μ - caries.
  • Midiendo la asimetría hacia adelante-atrás del par de muones en la corriente neutra que cambia el sabor B d → K * μ + μ - decaimiento. Tal corriente neutra de cambio de sabor no puede ocurrir a nivel de árbol en el Modelo Estándar de Física de Partículas, y solo ocurre a través de diagramas de caja y bucle de Feynman; las propiedades de la desintegración pueden ser fuertemente modificadas por la nueva física.
  • Medición de la fase de violación de CP en el decaimiento B s → J / ψ φ, causado por la interferencia entre los decaimientos con y sin B s oscilaciones . Esta fase es uno de los observables de CP con la menor incertidumbre teórica en el Modelo Estándar y puede ser modificado significativamente por la nueva física.
  • Medir las propiedades de las desintegraciones radiativas B, es decir, el mesón B se desintegra con los fotones en los estados finales. Específicamente, estos son nuevamente decaimientos de corriente neutra que cambian el sabor .
  • Determinación a nivel de árbol del ángulo γ del triángulo unitario.
  • B de dos cuerpos cargados sin encanto.

El detector LHCb [ editar ]

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 de avance 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 vertical está determinada por un gran imán dipolo con el componente de campo principal en la dirección vertical.

El logotipo de la colaboración LHCb

Subsistemas [ editar ]

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) utilizando un sistema bifásico de CO 2 . Los datos del detector VELO son amplificados y leídos por el Beetle ASIC .

El detector RICH-1 (detector Cherenkov de imágenes en anillo ) se encuentra directamente después del detector de vértices. Se utiliza para la identificación de partículas de pistas de baja cantidad de movimiento .

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:

  • El Tracker Turicensis, un detector de tiras de silicona ubicado antes del imán dipolo LHCb
  • El rastreador externo. Un detector basado en un tubo de paja ubicado después del imán dipolo que cubre la parte exterior de la aceptación del detector
  • El rastreador interno, detector basado en tiras de silicona ubicado después del imán dipolo que cubre la parte interna de la aceptación del detector

Siguiendo el sistema de seguimiento está RICH-2. Permite la identificación del tipo de partículas de las pistas de alto momento.

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

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

Actualización del LHCb (2019-2021) [ editar ]

A fines de 2018, el LHC se cerró para realizar actualizaciones, y actualmente se planea un reinicio para principios de 2022. Para el 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). 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 de filtrado de hardware intermedio (que se consideró un cuello de botella en el pasado). [9]

Resultados [ editar ]

Durante la carrera protón-protón de 2011, LHCb registró una luminosidad integrada de 1 fb −1 a una energía de colisión de 7 TeV. En 2012, se recolectaron alrededor de 2 fb −1 a una energía de 8 TeV. [10] Durante 2015-2018 (Prueba 2 del LHC), se recolectaron alrededor de 6 fb -1 a una energía de centro de masa de 13 TeV. Además, se recolectaron 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, haciéndolo 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 modelos estándar de precisión con muchas mediciones adicionales. A partir de 2021, LHCb ha publicado más de 500 artículos científicos. [12]

Espectroscopia de hadrones [ editar ]

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 una serie de nuevos hadrones. A partir de 2021, los cuatro experimentos del LHC han descubierto alrededor de 60 nuevos hadrones en total, la gran mayoría de los cuales por LHCb. [13] En 2015, el análisis de la desintegración de los bariones lambda inferiores (Λ0
b
) en el experimento LHCb reveló la existencia aparente 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, hecho de dos quarks de encanto y dos antiquarks de encanto.

  1. ^ Las abreviaturas son la primera letra del nombre del quark ( up = 'u', down = 'd', top = 't', bottom = 'b', charmed = 'c', strange = 's'). Las antigüedades tienen barras superiores.

Violación de CP y mezcla [ editar ]

Los estudios de 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 una precisión notable la imagen descrita por el triángulo de unitaridad CKM . El ángulo del triángulo de unitaridad ahora se conoce a unos 4 ° y está de acuerdo con las determinaciones indirectas. [19]

En 2019, LHCb anunció el descubrimiento de una violación de CP en desintegraciones de mesones encantadores. [20] Esta es la primera vez que se observa una violación de CP en las desintegraciones de partículas distintas de los kaones o mesones B. La tasa de asimetría de CP observada está en el borde superior de las predicciones teóricas existentes, lo que despertó cierto interés entre los teóricos de partículas con respecto al posible impacto de la física más allá del Modelo Estándar. [21]

En 2020, LHCb anunció el descubrimiento de una violación de CP dependiente del tiempo en las desintegraciones de los mesones B s . [22] La frecuencia de oscilación de los mesones de B a su antipartícula y viceversa se midió con gran precisión en 2021.

Decaídas raras [ editar ]

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

En 2014, los experimentos de LHCb y CMS publicaron un artículo conjunto en Nature anunciando el descubrimiento de una desintegración muy rara , cuya tasa se encontró cercana a las predicciones del Modelo Estándar. [23] Esta medición ha limitado duramente 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 los mesones B. El ejemplo más famoso en el llamado observable angular se encontró en el decaimiento , donde la desviación entre los datos y la predicción teórica persiste durante años. [24] Las tasas de desintegración de varias desintegraciones raras también difieren de las predicciones teóricas, aunque estas últimas tienen incertidumbres considerables.

Universalidad del sabor de Lepton [ editar ]

En el modelo estándar, se espera que los acoplamientos de leptones cargados (electrón, muón y leptón tau) a los bosones gauge sean idénticos, con la única diferencia que surge de las masas leptónicas. Este postulado se conoce como "universalidad del sabor leptónico". Como consecuencia, en las desintegraciones de los hadrones b, los electrones y muones deben producirse a velocidades similares, y la pequeña diferencia debida a las masas de los leptones se puede calcular con precisión.

LHCb ha encontrado desviaciones de estas predicciones al comparar la tasa de desintegración con la de , [25] y en procesos similares. [26] Sin embargo, dado que las desintegraciones en cuestión son muy raras, es necesario analizar un conjunto de datos más grande 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 " , que se traduce en un valor p de 0,1%. [27] Se encontró que el valor medido de , donde el símbolo denota la probabilidad de que ocurra una desintegración determinada, es mientras que el Modelo Estándar predice que está muy cerca de la unidad. [28]

Otras medidas [ editar ]

LHCb ha contribuido a estudios de cromodinámica cuántica, física electrodébil y ha proporcionado mediciones de sección transversal para la física de astropartículas. [29]

Ver también [ editar ]

  • B-fábrica

Referencias [ editar ]

  1. Belyaev, I .; Carboni, G .; Harnew, N .; Teubert, C. Matteuzzi F. (13 de enero de 2021). "La historia de LHCB". El European Physical Diario H . 46 . arXiv : 2101.05331 . doi : 10.1140 / epjh / s13129-021-00002-z . S2CID  231603240 .
  2. ^ "Organización LHCb" .
  3. Ana Lopes (30 de junio de 2020). "Nuevo portavoz de la colaboración LHCb" . CERN . Consultado el 3 de julio de 2020 .
  4. ^ "Giovanni Passaleva" . LHCb, CERN . Consultado el 3 de julio de 2020 .
  5. ^ B. Adeva et al (colaboración LHCb) (2009). "Hoja de ruta para las medidas clave seleccionadas de LHCb". arXiv : 0912,4179 [ hep-ex ].
  6. ^ [1] , LHCb VELO (del grupo VELO)
  7. ^ [2] , Páginas públicas de VELO
  8. ^ "Transformando LHCb: ¿Qué nos depara los próximos dos años?" . CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  9. ^ "Iniciativa Allen - respaldada por CERN openlab - clave para la actualización del disparador LHCb" . CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  10. ^ "Luminosidades Run1" . Consultado el 14 de diciembre de 2017 ., Gráficos de luminosidad del LHC de 2012
  11. ^ "Nuevo SMOG en el horizonte" . Mensajero del CERN . 2020-05-08 . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  12. ^ "LHCb - experimento de belleza del gran colisionador de hadrones" . lhcb-public.web.cern.ch . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  13. ^ "59 nuevos hadrones y contando" . CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  14. ^ "Observación de partículas compuestas por cinco quarks, estados pentaquark-charmonium, visto en Λ0 b→ J / ψpK - desintegraciones" . CERN . / LHCb 14 de julio 2015 . Obtenido 07/14/2015 .
  15. ^ R. Aaij y col. (Colaboración LHCb) (2015). "Observación de resonancias J / ψp consistentes con estados de pentaquark en Λ0
    b
    → J / ψK - . P desintegraciones" Physical Review Letters . 115 (7): 072001. arXiv : 1507.03414 . Bibcode : 2015PhRvL.115g2001A . Doi : 10.1103 / PhysRevLett.115.072001 . PMID  26317714 . S2CID  119.204.136 .
  16. ^ G. Amit (14 de julio de 2015). "El descubrimiento de Pentaquark en el LHC muestra una nueva forma de materia tan buscada" . Nuevo científico . Consultado el 14 de julio de 2015 .
  17. ^ "Nuevas partículas descubiertas en el LHC" . www.nikhef.nl . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  18. ^ "pdgLive" . pdglive.lbl.gov . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  19. ^ La colaboración de LHCb, ed. (2020). Combinación LHCb actualizada del ángulo CKM γ .
  20. ^ "LHCb observa violación de CP en decaimientos de encanto" . Mensajero del CERN . 2019-05-07 . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  21. ^ Dery, Avital; Nir, Yosef (diciembre de 2019). "Implicaciones del descubrimiento de LHCb de violación de CP en desintegraciones de encanto" . Revista de Física de Altas Energías . 2019 (12): 104. arXiv : 1909.11242 . Código bibliográfico : 2019JHEP ... 12..104D . doi : 10.1007 / JHEP12 (2019) 104 . ISSN 1029-8479 . S2CID 202750063 .  
  22. ^ "LHCb ve una nueva forma de asimetría materia-antimateria en extrañas partículas de belleza" . CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  23. Khachatryan, V .; Sirunyan, AM; Tumasyan, A .; Adam, W .; Bergauer, T .; Dragicevic, M .; Erö, J .; Friedl, M .; Frühwirth, R .; Ghete, VM; Hartl, C. (junio de 2015). "Observación de la desintegración rara B s 0 → µ + µ - del análisis combinado de datos de CMS y LHCb" . Naturaleza . 522 (7554): 68–72. doi : 10.1038 / nature14474 . ISSN 1476-4687 . PMID 26047778 . S2CID 4394036 .   
  24. ^ "El nuevo análisis de LHCb todavía ve resultados intrigantes anteriores" . CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  25. ^ "¿Cuán universal es (lepton) la universalidad?" . CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  26. ^ "LHCb explora la belleza de la universalidad de leptones" . CERN . Consultado el 21 de marzo de 2021 .
  27. ^ "Nuevo resultado intrigante del experimento LHCb en el CERN" . CERN . Consultado el 23 de marzo de 2021 .
  28. ^ Colaboración LHCb; Aaij, R .; Beteta, C. Abellán; Ackernley, T .; Adeva, B .; Adinolfi, M .; Afsharnia, H .; Aidala, CA; Aiola, S .; Ajaltouni, Z .; Akar, S. (22 de marzo de 2021). "Prueba de universalidad de leptones en decaimientos de quarks de belleza". arXiv : 2103,11769 [ hep-ex ].
  29. Fontana, Marianna (19 de octubre de 2017). "Entradas de LHCb a la física de astropartículas" . Actas de la Conferencia de la Sociedad Europea de Física sobre Física de Altas Energías . Venecia, Italia: Sissa Medialab. pag. 832. doi : 10.22323 / 1.314.0832 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Medios relacionados con LHCb en Wikimedia Commons
  • Página web pública del LHCb
  • Sección LHCb del sitio web de US / LHC
  • A. Augusto Alves Jr. y col. (Colaboración LHCb) (2008). "El detector LHCb en el LHC" . Revista de instrumentación . 3 (8): S08005. Código Bibliográfico : 2008JInst ... 3S8005T . doi : 10.1088 / 1748-0221 / 3/08 / S08005 . hdl : 10251/54510 . (Documentación de diseño completa)