Эксперимент LHCb

Эксперимент LHCb – один из четырех основных экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейской организации ядерных исследований (CERN, Женева, Швейцария). Главными задачами этого эксперимента является изучение редких эффектов СР-нарушения в распадах прелестных адронов (Вu-,  Bd-, Bs-, Bc-мезонов и b-барионов), измерение углов треугольника унитарности, прецизионная проверка предсказаний Стандартной Модели (СМ) в редких радиационных, полулептонных и лептонных распадах B-мезонов и изучение редких распадов очарованных частиц.

Цель этих исследований — поиск ответа на один из самых интригующих вопросов современной физики высоких энергий — какие процессы, действующие после Большого Взрыва, позволили материи сохраниться в том виде, в котором мы ее наблюдаем сегодня, и, соответственно, объяснить и понять - почему в ходе эволюции Вселенной исчезло антивещество. К 2017 году коллаборация LHCb насчитывает более 1200 человек из 71 института, расположенных в 16 странах.

Явление нарушения CP-инвариантности позволяет античастицам распадаться несколько иначе, чем частицам, и, следовательно, исчезать, оставляя избыток частиц в виде вещества Вселенной. Один из нерешенных теоретических вопросов в физике на сегодняшний день - почему Вселенная состоит в основном из материи,а не из равных частей материи и антиматерии. Для создания дисбаланса из первоначально равного количества материи и антиматерии должны быть выполнены условия А.Д. Сахарова, одним из которых является нарушение CP-симметрии в экстремальных условиях первых секунд после Большого взрыва. Как полагают, это и есть то самое нарушение симметрии, которое сделало возможным существование нашего мира. Каким образом это произошло, до сих пор неизвестно.

Возможно, ответ на этот вопрос будет найден экспериментом LHCb на Большом Адронном Коллайдере. Цель эксперимента LHCb - наиболее точное изучение свойств частиц, содержащих b-кварк, а также исследование и поиск редких распадов прелестных частиц. Проверка теоретических предсказаний по описанию слабых распадов прелестных мезонов, выполненных в рамках Стандартной Модели (СМ), представляется удобной формой тестирования модели и, как следствие, одним из вариантов поиска новой физики. Ярким свидетельством существования новой физики явилось бы обнаружение эффектов, запрещенных или сильно подавленных в СМ. Это придает особый интерес поиску и изучению редких распадов В-мезонов. В настоящее время физика прелестных частиц, содержащих b-кварк, - главный полигон исследования нарушения CP-симметрии. Работы в этой области идут полным ходом и изучение распадов B-мезонов еще много-много лет будут представлять собой увлекательную область перспективных исследований.

В эксплуатации детектора LHCb (см. фото 1) принимают участие более 700 физиков из 52 институтов, расположенных в 15 странах мира. Для изучения этих физических процессов потребовалось создание не только ускорителей нового уровня энергий и светимости, но и новых детекторов, способных выделять редкие сигнальные события из огромного потока фоновых событий. Отсюда возникает необходимость создания высокоэффективной системы идентификации и регистрации частиц. Колоссальное увеличение энергии сталкивающихся частиц и необходимость улучшения точности измерения ставит перед учеными задачи создания детекторов и их элементов, способных работать в тяжелых радиационных условиях и занимающих малый объем. Их решение возможно только на основе самых современных технологий с применением новых материалов и новых конструкторских идей.

Материальный и интеллектуальный вклад группы ИТЭФ в создание установки LHCb

Группа Института теоретической и экспериментальной физики присоединилась к разработке эксперимента еще на стадии написания первой технической документации в 1995 году. С тех пор сотрудники ИТЭФ принимают решающее участие в создании и поддержании работы электромагнитного калориметра — одной из важных подсистем экспериментальной установки, а также участвуют в разработке программного обеспечения эксперимента и обработке экспериментальных данных.

Основные направления деятельности группы:

• обеспечение бесперебойной работы электромагнитного калориметра;
• проведение калибровки электромагнитного калориметра;
• идентификация электронов;
• развития программы обработки и реконструкции данных;
• изучение редких распадов В-мезонов.

Участники группы

Руководитель группы: В.Ю. Егорычев

Нынешний состав группы*:

И.Беляев, Д.Голубков, Т.Кварацхелия, В.Матюнин, Д.Перейма, А.Семенников,  Д.Саврина, С.Шахов, Ю.Зайцев

*подчеркиванием выделены имена участников, включенных в авторский лист эксперимента

Бывшие участники, на разных этапах внесшие большой вклад в работу группы:

А.Арефьев, С.Барсук, Б.Бобченко, К.Ворончев, Е.Говоркова, А.Голутвин, О.Гущин, В.Кириченко, И.Королько, С.Малышев, М.Мартемьянов, Е.Мельников, А.Морозов, И.Мачихильян, Г.Пахлова, С.Поликарпов, И.Поляков, М.Прокудин, Д.Русинов, В.Русинов, А.Тайдуганов, Е.Тарковский, В.Шевченко, Л.Щуцка

По итогам работы в группе студентами МФТИ и МГУ было защищено 8 дипломов, а также написано и защищено 3 кандидатских диссертации.

Статус современных работ в коллаборации и планы

Более подробную информацию о детекторе, эксперименте и сотрудничестве можно получить на домашней странице LHCb.

Электромагнитный калориметр эксперимента LHCb

Разработка, создание и тестирование электромагнитного калориметра были проведены при решающем вкладе сотрудников Института теоретической и экспериментальной физики. Калориметрическая система эксперимента LHCb [J. Phys.: Conf.Ser. 160 (2009) 012047] выполняет несколько важных задач:
• Обеспечивает триггер нулевого уровня электронными, фотонными и π0-кандидатами с высоким поперечным импульсом;
• Измеряет энергии и положения фотонов и электронов;
• Участвует в алгоритмах идентификации частиц, позволяя разделять заряженные и нейтральные электромагнитные кандидаты, а также отличать их от адронов.

Распады, содержащие фотоны и нейтральные пионы в конечном состоянии, восстанавливаются, в основном, благодаря наличию в событии электронных и фотонных кандидатов с высоким поперечным импульсом, которые регистрируются калориметрической системой. При этом массовое разрешение первичной частицы напрямую зависит от точности определения энергии электронов и фотонов. Таким образом, точная калибровка электромагнитного калориметра, позволяющая восстанавливать энергию электронов и фотонов с точностью не хуже 2%, является необходимым условием для проводимых исследований. Кроме того, подобные исследования требуют точной оценки эффективности реконструкции и отбора фотонов и нейтральных пионов.

Для выполнения этих задач был разработан алгоритм, реализующий один из методов точной калибровки (итеративная калибровка нейтральными пи-мезонами). Метод успешно применяется с момента начала набора данных в 2010 году, позволяя поддерживать точность восстановления энергий на требуемом уровне.

Исследование свойств частиц, содержащих b- и c-кварки

Коллаборацией опубликовано 340 работ, 50 из них — только в 2016 году. В том числе за это время 11 публикаций было сделано группой ИТЭФ, а в еще 15 участники группы внесли значительный вклад.
Основной тематикой работ группы являются поиск и исследование новых распадов частиц, содержащих b-кварк, в конечные состояния с чармониевыми резонансами J/ψ, ψ(2S), χc1,2, X(3872), а также измерение сечений рождения частиц, содержащих тяжелые кварки, в протон-протонных столкновениях.
Ниже приведены наиболее значимые результаты, полученные группой за последние годы.

Измерение отношения парциальных ширин распадов B0→K∗0γ и B0s→ϕγ

[Phys. Rev. D85 (2012) 112013]

Исследование редких радиационных распадов – одно из ключевых измерений, проводимых в эксперименте LHCb. Такие распады происходят за счет петлевых диаграмм типа «пингвин». Некоторые теории предсказывают возможность вклада в такие диаграммы нестандартных частиц, влияющих на динамику распада и, в частности, на поляризацию вторичного фотона. Это делает исследование редких радиационных распадов прекрасной лабораторией для поиска физики за рамками Стандартной Модели. С использованием данных, набранных экспериментом в 2011 году и соответствующих интегральной светимости 340пб- 1, было измерено отношение парциальных ширин распадов B0 → K*γ и B0s → φγ и абсолютное значение парциальной ширины B0s → φγ. Полученные значения находятся в согласии с предсказаниями Стандартной Модели.

Исследование распадов В-мезонов в конечные состояния, содержащие чармоний и легкий незаряженный мезон.

[Nucl. Phys. B867 (2013) 547]
[Nucl. Phys. B871 (2013) 403]
[JHEP 01 (2015) 024]

Распады B-мезонов в конечные состояния, содержащие чармоний и легкий незаряженный мезон, обусловлены, в основном, подавленными по цвету древесными диаграммами с кварковыми переходами b → c. Изучение таких распадов необходимо для понимания адронных взаимодействий и свойств чармония и дает новые возможности для измерения зависящей от времени CP-асимметрии. Группой было осуществлено первое обнаружение распада B0 → J/ψω и экспериментальное измерение его парциальной ширины.

Впервые все четыре распада B0(s) → J/ψη и B0(s) → J/ψη’ наблюдались одновременно в одном эксперименте. Были измерены значения парциальных ширин этих распадов. На основании полученных значений была сделана оценка параметров смешивания η и η’ мезонов. Было сделано первое наблюдение распада B0s → ψ(2S)η и обнаружено первое свидетельство распада B0s → ψ(2S)η’.

Наблюдение распада B0s → χc1ϕ и исследование распадов B0 → χc1,2K∗0
[Nucl. Phys. B874 (2013) 663]

Наиболее распространенным методом описания распадов B-мезонов в состояния, содержащие чармоний, является подход факторизации. Теоретические предсказания для парциальной ширины распада B0 → χc2K∗0 имеют наименьшие неопределенности при вычислении относительно парциальной ширины распада B0 → χc1K∗0. Поэтому одновременное измерение парциальных ширин распадов B0 → χc1K∗0 и B0→χc2K∗0 может предоставить значимую информацию для понимания механизма рождения χc-резонансов в распадах B-мезонов.

Распады B0s → χc1ϕ ранее не наблюдались, и их обнаружение представляет особый интерес ввиду перспектив изучения нарушения CP-симметрии. В рамках проделанной работы был впервые обнаружен распад B0s → χc1ϕ, измерена его парциальная ширина относительно распада B0s → J/ψϕ, а также отношения парциальных ширин распадов B0 → χc1K∗0 к B0 → J/ψK∗0 и B0 → χc2K∗0 к B0 → χc1K∗0.

Обнаружение свидетельства распада X(3872) → ψ(2S)γ
[Nucl. Phys. B886 (2013) 665]

На настоящий момент измерены квантовые числа состояния X(3872), его масса, а также обнаружено несколько разных мод распада данного состояния. Однако несмотря на это, природа состояния X(3872), как и других экзотических состояний до сих пор не установлена. Изучение радиационных распадов состояния X(3872) позволяет существенно сузить круг рассматриваемых моделей. Группой было измерено отношение парциальных ширин распадов X(3872) → ψ(2S)γ и X(3872) → J/ψγ, Rψγ. Полученное значение имеет лучшую на данный момент точность. Результат измерения отношения Rψγ согласуется с теоретическими предсказаниями в рамках модели чистого чармония и модели суперпозиции DD*-молекулы и чармония.

Исследование двойного партонного рассеяния

[JHEP06 (2012) 141]
[JHEP04 (2014) 091]
[JHEP07 (2016) 052]
В расширениях модели нерелятивистской квантовой хромодинамики (NRQCD) многие параметры можно извлечь только из анализа экспериментальных данных. Поэтому дополнительные измерения рождения тяжелых кварков с более высокой точностью и в широкой области кинематических переменных представляют большой интерес для дальнейшего развития теоретических моделей и детального понимания механизма процесса рождения. Большая энергия и интенсивность, достигнутые на Большом адронном коллайдере, дают возможность не только с большой точностью измерять сечения рождения тяжелых адронов, но и проводить исследования множественного рождения этих частиц, что позволяет еще глубже понять процессы, лежащие в основе их образования. В частности, такие исследования могут послужить для оценки вклада механизма двойного партонного рассеяния в сечения рождения пар тяжелых адронов.

С использованием данных, набранных экспериментом в 2011 году при энергии в системе центра масс √s = 7 ТэВ и соответстующих интегральной светимости 355 пб-1 было сделано наблюдение различных мод совместного рождения чармония и адронов с открытым чармом, парного рождения адронов с открытым чармом, а также совместного рождения чарма и анти-чарма. Все эти моды в адронных столкновениях наблюдались впервые. Были исследованы свойства рождения этих пар.
В данных, набранных экспериментом LHCb в 2011 году при энергии в системе центра масс √s = 7 ТэВ и соответстующих интегральной светимости 1 фмб-1 были обнаружены события совместного рождения D+-мезона или D0 мезона и Z бозона с последующим распадом Z → μ+μ-. Были измерены сечения такого совместного рождения.

С использованием данных, набранных экспериментом при энергиях в системе центра масс √s = 7 ТэВ и √s = 8 ТэВ и соответстующих интегральным светимостям 1 и 2 фмб-1 было сделано наблюдение совместного рождения боттомония и адронов с открытым чармом. Для пар Υ(1S)D0 и Y(1S)D+ были измерены сечения рождения, а также проведено исследование дифференциальных сечений.

Поиск и исследование новых распадов Bc-мезонов

[JHEP11 (2013) 94]
[Phys. Rev. D87, 112012]
[JHEP05(2014)148]
Впервые Bc-мезон был открыт в 1998 году коллаборацией CDF. Однако несмотря на почти двадцатилетнюю историю до сих пор известно немногим более десятка распадов этой частицы, из которых 4 обнаружены группой ИТЭФ. Свойства Bc-мезона измерены с точностью, меньшей, чем у других B-мезонов, поэтому поиск и исследование новых распадов этой частицы крайне важны. Единственная частица, состоящая из двух тяжелых кварков разного аромата, она стабильна относительно сильного и электромагнитного взаимодействий, и является самой тяжелой частицей, способной распадаться только по слабому взаимодействию.

В рамках этих исследований были впервые обнаружены и измерены парциальные ширины распадов B+c → J/ψK+K-π+, B+c → J/ψDs+, B+c → J/ψDs*+ и B+c → J/ψ5π, а также с наилучшей точностью измерена разность масс B+c- и Ds+-мезонов.