LHCb

LHCb (від ) — один із семи експериментів (ALICE, ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, LHCf і MoEDAL) з фізики частинок на Великому Адронному Колайдері (LHC) — прискорювачі частинок у Європейській організації ядерних досліджень CERN, Швейцарія. LHCb є експериментом, спеціалізованим на b-фізиці, призначений для вимірювання параметрів порушення CP-симетрії у взаємодіях b-адронів (адрони, що містять b-кварк). Такі дослідження можуть допомогти пояснити асиметрію речовини-антиречовини у Всесвіті. Детектор здатний проводити вимірювання перерізів утворення за рахунок електрослабкої фізики для вперед направлених процесів. Колаборацію LHCb, яка збудувала та оперує детектором, формують приблизно 840 людей із 60 наукових інститутів з 16 країн.

Експеримент розташовано в точці № 8 тунелю LHC поряд з муніципалітетом Ферне-Вольтер, Франція, що лежить безпосередньо на кордоні з Женевою. В тій самій локації буде розташовано експеримент MoEDAL.

Фізичні задачі Фізична програма експерименту покриває широке коло аспектів фізики важких ароматів (c та b), фізики електрослабкої взаємодії та квантової хромодинаміки. Виділяються шість ключових вимірювань за участю B-мезонів, описані в дорожній карті, що формує основні експериментальні задачі для першого запуску LHC у 2010—2012 роках. Згідно з дорожною картою фізична програма експерименту LHCb включає: Вимірювання коефіцієнту розгалуження рідкісного розпаду Bs → μ+μ− Вимірювання асиметрії вперед-назад для мюонної пари, утвореної за участю FCNC в розпаді Bd → K*μ+μ−. Такий FCNC процес не може відбуватись на рівні «tree» діаграм Фейнмана в Стандартній моделі фізики частинок, проте може проходити за рахунок «box» та «loop» діаграм. Властивості цього розпаду є чутливими до наявності Нової фізики. Вимірювання CP-порушеної фази в розпаді Bs → J/ψφ, яка спричинена інтерференцією розпадів з та без осциляцій Bs мезонів. Описана вище фаза є однією із CP вимірюваних величин та має найменшу теоретичну невизначеність у Стандартній моделі і є чутливою до наявності Нової фізики. Вимірювання властивостей радіаційних B-розпадів (тобто розпадів B-мезонів з утворенням фотонів в кінцевому стані), що можуть бути пов'язані з FCNC. Визначення γ-кута трикутника унітарності на «tree»-рівні. B-розпади на дві заряджені нечарівні частинки.

Детектор LHCb та його компоненти У геометрії детектора LHCb використовується той факт, що при високих енергіях b-адрони утворюються з великим поздовжнім імпульсом. LHCb детектор є одностороннім вперед направленим спектрометром, що покриває полярний кут від 10 до 300 мілірадіан (мрад) в горизонтальній та 250 мрад у вертикальній площинах. Асиметрія між горизонтальною та вертикальною площинами спричинена великим дипольним магнітом, що створює вертикальне магнітне поле.

VELO Вершинний детектор (VELO ) використовується для вимірювання траєкторій частинок поряд з точкою протон-протонної взаємодії для точного розрізнення первинних вершин від вторинних.

Відстань від протонного пучка до VELO складає всього 7 мм, де потік частинок є дуже великим. VELO детектор був сконструйований таким чином, щоб витримувати інтегральний флюенс понад 1014 см−2 протягом трирічного періоду експлуатації під час першого запуску LHC. Детектор функціонує в вакуумі і охолоджений до температури приблизно за допомогою двофазної системи CO2.

Протонні пучки LHC проходять через всю довжину детектора та екрануються берилієвою трубкою для захисту детекторної системи. Точка зіткнення пучків знаходиться всередині VELO. Задачею VELO є виділення B-мезонів з безлічі інших утворених частинок. Це є досить складним завданням, оскільки розпад короткоживучих B-мезонів відбувається на невеликій відстані від протонного пучка.

VELO вимірює відстань між точкою зіткнення протонів до точки розпаду b-адрона, який не може бути зареєстрований безпосередньо, а лише за продуктами його розпаду. Таким чином, VELO може локалізувати позицію b-адрона з точністю 10 мкм. B-мезони утворюються внаслідок протон-протонного зіткнення та живуть протягом 10−9 чи 10−6 секунди, що дозволяє їм пролітати відстань близько 1 мм.

Детектор складається з двох півкругових кремнієвих сенсорів товщиною 0,3 мм. Невеликий центральний виріз дозволяє головному пучку протонів безперешкодно проходити наскрізь. Заряджені частинки досягають чутливих кремнієвих елементів та створюють електрон-діркові пари. Утворені електрони реєструються з використанням спеціальної електроніки. Протягом періоду накопичення даних кремнієві сенсори розташовано на відстані 7 мм від пучка. Механічно VELO може віддаляти свої чутливі елементи на відстань 35 мм, що грає визначальну роль протягом постійних операцій з LHC пучком. Це дозволяє захистити VELO від можливих пошкоджень на етапі інжекції та інших етапах оперування пучком.

Система VELO повністю розташована у вакуумній трубі LHC. Для захисту цільності первинної вакуумної системи LHC, сенсори відділені від пучка алюмінієвою фольгою товщиною 0,3 мм. Зчитувальна електроніка сконструйована з радіаційно стійких компонентів та CO2 охолоджувальної системи. Сигнали від детектора транспортуються з вакуумної системи 22 000 кабелями для аналізу.

VELO — це головний трековий пристрій до магніту і його дані відіграють визначальну роль для тригера. Зчитування є аналоговим і використовує мідні кабелі довжиною 40 м. Пошук кластерів чуттєвих елементів, де зареєструвалась частинка, відбувається на платах TELL1 з радіаційним захистом.

Система RICH-детекторів

Задачею системи RICH-детекторів (Ring Imaging Cherenkov Detector) є ідентифікація заряджених частинок, що мають імпульси від 1 до 150 ГеВ/c та кутовим аксептансом 10-300 мрад. Ідентифікація частинок грає визначальну роль для зменшення фону при відборі подій та для ефективного тагування b-кварку. Система складається з двох (RICH-1 та RICH-2) детекторів. RICH-1 детектор розташований одразу після VELO й використовує кремнієвий аерогель та газ C4F10 як радіатори. RICH-2 детектор розташований за магнітом і трековою системою та використовує газовий CF4 радіатор.

Дзеркала та радіатори Кремнієвий аерогель — це колоїдальна форма твердого кварцу, але з наднизькою густиною і відносно великим (1,01-1,10) показником заломлення. Матеріал з такими характеристиками є ідеальним для ідентифікації частинок з найменшим імпульсом (декілька ГеВ/c). Для того, щоб забезпечити ідентифікацію частинок з імпульсом від 10 до 65 ГеВ/c та від 15 до понад 100 ГеВ/c, LHCb використовує радіатори C4F10 та CF4 відповідно. Таким чином, використовуючи кремнієвий аерогель та C4F10 газ, RICH-1 детектор призначений для ідентифікації частинок з відносно малим імпульсом. RICH-2 детектор, що використовує CF4 радіатор, здатний ідентифікувати частинки з великим імпульсом — треки яких мають малий кут відхилення від напрямку протонного пучка.

Частинки, утворенні внаслідок протон-протонних зіткнень, рухаються крізь дзеркала RICH-1 і далі досягають інших детекторних систем. Для зменшення ефектів розсіяння частинок на дзеркалах, LHCb використовує спеціальні легкі сферичні дзеркала із полімерів, зміцнених вуглецевим волокном (CFRP). Використовуються чотири таких CFRP-дзеркала, що формують сферичну поверхню радіусом 2700 мм розділену матрицею CFRP-циліндрів.

RICH-2 детектор розташований за трековою системою та магнітом, і тому, на відміну від RICH 1, скло може використовуватись як матеріал для сферичних дзеркал, які в цьому випадку складаються з шестикутних елементів.

Реєстрація світла Обидва RICH-детектори використовують гібридні фотодетектори (HPD) для вимірювання позиції черенковських фотонів. HPD — це вакуумний фотодетектор, де за рахунок фотоефекту падаючий фотон конвертується в фотоелектрон, що вилітає з фотокатода і згодом прискорюється сильним електричним полем (10-20 кВ) до потрапляння в зворотно-зміщений кремнієвий детектор. Трубка фотодетектора електростатично фокусує фотоелектрони на масив невеликих кремнієвих детекторів.

LHCb колаборація розробила новий піксельний HPD детектор, призначений спеціально для RICH-детекторів. В даному випадку, кремнієвий детектор розбито на 1024 супер піксельних детекторів, розміром 500 мкм × 500 мкм кожен, які встановлено матрицею 32 × 32. Коли фотоелектрон втрачає енергію, він створює електрон-діркові пари з середнім енергетичним виходом 3,6 еВ. Номінальна напруга для HPD в експерименті LHCb складає -20 кВ, що відповідає утворенню близько 5000 електрон-діркових пар.

Загалом для покриття чотирьох детектуючих поверхонь, експеримент потребує 484 помножувальні трубки: 196 для RICH-1 та 288 для RICH-2.

Трекова система Головна трекова система розташована перед та після дипольного магніту. Основною задачею трекової системи є забезпечення ефективної реконструкції треків заряджених частинок. Далі ця інформація використовується для визначення імпульсу частинки та для реконструкції кілець в RICH-детекторах.

Трекова система експерименту LHCb складається з чотирьох великих прямокутних станцій, що покривають площу понад 40 м2 кожна: першу станцію (ТТ) розташовано між RICH-1 та дипольним магнітом, інші 3 станції (T1-T3) розташовано між дипольним магнітом та RICH-2.

У експерименті LHCb використовуються дві технології трекових детекторів:

1) Кремнієвий трекер використовує кремнієві мікрострипові детектори з кроком близько 200 мкм. Вони покривають всю TT станцію та хрестоподібну область (внутрішній трекер) навколо пучка в станціях T1-T3. Загальна чутлива поверхня становить близько 11 м².

2) Зовнішній трекер використовує дрифтові камери в формі трубок діаметром 5 мм та покриває більшу частину чутливої поверхні детектора в станціях T1-T3. Найбільша станція покриває чутливу площу 600 см x 490 см.

Кремнієвий трекер Кремнієвий детектор включає тригерний трекер (ТТ) та внутрішній трекер. Обидві частини використовують мікрострипові детектори з довгими зчитувальними стрипами та кроком стрипів близько 200 мкм. TT є плоскою трековою станцією шириною в 150 см та висотою 130 см, що розташована перед дипольним магнітом та покриває весь аксептанс експерименту. Внутрішній трекер покриває хрестоподібну область шириною 120 см та висотою 40 см у центрі трьох великих трекових станцій за магнітом (T1-T3). Кожна з чотирьох трекових станцій, в свою чергу, складається з чотирьох чутливих шарів. Кремнієва технологія є дорогою, проте забезпечує дуже точну просторову роздільну здатність. Тому ця технологія використовується в найближчих до протонного пучка областях, де потік частинок є дуже щільним.

Заряджені частинки проходять через детектор, вибиваючи електрони з атомних оболонок та створюючи електричний заряд, який може вільно рухатись в об'ємі детектора. Електричне поле величиною в декілька десятків вольт в напрямку вздовж детектора дозволяє збирати вільні електрони на електродах. Внаслідок цього створюється електричний імпульс, який далі підсилюється та реєструється. Визначення позиції, де частинка перетнула детектор, відбувається за рахунок реєстрації сигналу з кожного електрода.

Загалом, кремнієвий трекер має 270 000 зчитувальних електродів та може вимірювати положення частинки з точністю понад 0,05 мм.

Зовнішній трекер

Конструкція трьох станцій зовнішнього трекера має модульну конструкцію — кожна станція складається з 72 окремих модулів, що підтримуються чотирма незалежними рухомими алюмінієвими рамками (18 модулів на кожну рамку). Модуль складається з двох панелей та двох бічних стінок, що загалом формує стабільну та газонепроникну коробку, яка включає до 256 трубок, заповнених сумішшю аргону (70 %) та діоксиду вуглецю (30 %). Трубки розташовані в двох зсунутих моношарах та приклеєні до панелей з високою точністю для визначення позиції та прямолінійності трубки.

Технологія трубок має досить грубу роздільну здатність (понад 0,2 мм) порівняно з кремнієвими детекторами, але є значно дешевшою і тому добре підходить для того, щоб покрити велику площу трекової системи в областях, де потік частинок є порівняно невеликим. В експерименті LHCb роздільна здатність покращується вимірюванням часу дрифту іонізаційних зарядів.

Калориметри