LHCb

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Coordinate: 46°14′27.64″N 6°05′48.96″E / 46.241011°N 6.096933°E46.241011; 6.096933

LHC.svg
La catena degli acceleratori del CERN,
organizzati in stadi successivi di accelerazione
terminanti con l'iniezione in LHC.
Esperimenti a LHC
ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS
CMS Compact Muon Solenoid
LHCb LHC-beauty
ALICE A Large Ion Collider Experiment
TOTEM TOTal Elastic and diffractive
cross section Measurement
LHCf LHC-forward
Catena di preaccelerazione
p e Pb acceleratore lineare
per protoni e piombo
(non indicato) Proton Synchrotron Booster
PS Proton Synchrotron
SPS Super Proton Synchrotron

L'esperimento LHCb (acronimo di "Large Hadron Collider beauty") è uno dei sei esperimenti di fisica delle particelle dell'acceleratore LHC al CERN. LHCb è un esperimento specializzato nella fisica del quark b, con lo scopo di misurare i parametri della violazione CP e decadimenti e fenomeni rari nella fisica degli adroni dotati di b.

Motivazioni fisiche[modifica | modifica sorgente]

Logo di LHCb, si nota la sigla CP barrata simbolo della violazione di CP

Sebbene gli studi della fisica dei sapori pesanti effettuati in recenti esperimenti (per esempio BaBar, Belle, CDF e ), sia ampiamente compatibile con il meccanismo CKM e quindi con il Modello Standard, altri fenomeni rivelano la possibile presenza di fisica non spiegabile da questo modello.

In particolare la violazione della simmetria CP misurata nell'ambito dei decadimenti dei mesoni K e B, non sarebbe completamente spiegabile all'interno del Modello Standard e richiederebbe pertanto fonti aggiuntive spiegabili invece tramite nuovi modelli (Es. Supersimmetria). Questi nuovi modelli prevedono inoltre un aumento della probabilità di decadimento per decadimenti rari o completamente proibiti all'interno del Modello Standard.

Questi ed altri studi saranno possibili all'interno dell'esperimento LHCb.

Il rivelatore LHCb[modifica | modifica sorgente]

L'esperimento LHCb [1] studia le collisioni di protoni prodotte dall'acceleratore LHC ad un'energia di 14 TeV. In queste condizioni la sezione d'urto per la produzione di coppie di quark \mathrm{b\bar{b}} è prevista essere, seppur con grande incertezza, di circa 500 μb. Presso LHCb la luminosità dei due fasci di protoni sarà di 2 x 1032 cm−2 s−1: essa è inferiore a quella nominale di LHC per poter avere prevalentemente una sola interazione protone-protone per evento, rendendo così gli eventi più facilmente analizzabili, minore l'occupanza del rivelatore e diminuendo così anche i danni da radiazione. In queste condizioni verranno prodotte circa 10^{12} coppie di \mathrm{b\bar{b}} per anno.

Il rivelatore dell'esperimento LHCb è uno spettrometro a singolo braccio posto in avanti rispetto alla zona di interazione con una copertura angolare da 10 mrad a 300 (250) mrad nel piano orizzontale (verticale). Questa scelta è stata effettuata perché gli adroni con b e con anti-b, alle energie suddette, vengono prodotti principalmente nella stessa regione in avanti o indietro rispetto alla zona di interazione. La regione simmetrica rispetto all'esperimento LHCb, indietro rispetto al punto di interazione, non è stata sfruttata per mancanza di spazio: la collaborazione decise infatti, anche per ragioni economiche, di non allargare la galleria preesistente, già occupata dall'esperimento DELPHI, presso il precedente acceleratore LEP.

Requisiti[modifica | modifica sorgente]

Considerando che LHCb deve rivelare decadimenti rari dei mesoni B in un ambiente con alto fondo e alti rate le caratteristiche principali del sistema di rivelazione devono essere le seguenti:

  • deve essere possibile determinare con precisione micrometrica la posizione dei vertici primari d'interazione protone-protone e la posizione dei vertici secondari di decadimenti dei mesoni B, al fine di misurare con precisione adeguata il tempo proprio di decadimento. La risoluzione temporale deve essere elevata, dell'ordina di decine di femto secondi, specialmente per poter risolvere l'oscillazione del mesone Bs e, in generale, le asimmetrie dipendenti dal tempo. Inoltre una buona risoluzione sui vertici è importante perché la presenza di un vertice secondario distante dal vertice primario è la firma distintiva di un decadimento di un adrone con b;
  • LHCb deve essere dotato di un sistema d'identificazione delle particelle, efficiente e selettivo. In particolare è necessario distinguere i leptoni (e/\mu) per il trigger e per il B-tagging, ma soprattutto discriminare \pi/K su di un'ampia regione d'impuso, variabile tra alcuni GeV e 100 GeV. LHCb deve essere dotato anche di un sistema di identificazione delle particelle neutre, dei leptoni e degli adroni, da usare sia per le esigenze di trigger, sia nella ricostruzione offline degli eventi acquisiti;
  • la risoluzione in massa invariante deve essere tale da consentire di rigettare efficacemente il fondo combinatorio dovuta alla combinazione casuale delle tracce. È necessario pertanto misurare con alta precisione l'impulso delle particelle;
  • LHCb deve essere inoltre dotato di un sistema di trigger veloce ed efficiente, organizzato in più livelli, applicati in cascata, da utilizzare per selezionare gli eventi in cui abbia avuto luogo una produzione di mesoni B e rigettare il fondo costituito da eventi con produzione di quark leggeri o quark charm. Questo è realizzato selezionando particelle con alto impulso trasverso e vertici di decadimento secondari lontani dal vertice primario.

Sottorivelatori[modifica | modifica sorgente]

Il rivelatore di vertici (VELO - vertex locator) è costruito attorno alla regione di interazione tra i protoni. È usato per determinare le traiettorie delle particelle vicine al punto di interazione per separare con precisione i vertici primari e secondari, per esempio per il B-tagging.

Appena dopo il rivelatore di vertici è presente un RICH-1 (un Ring imaging Cherenkov detector). È usato per l'identificazione delle particelle di basso impulso.

Il sistema principale di tracciamento è posto prima e dopo un dipolo magnetico. Viene usato per ricostruire le traiettorie delle particelle cariche e per misurare il loro impulso.

Dopo il sistema di tracciamento c'è il RICH-2. Viene usato per l'identificazione di particelle con alto impulso.

I calorimetri elettromagnetici e adronici forniscono la misura dell'energia degli elettroni, fotoni e degli adroni. Queste misure sono usate come trigger per identificare particelle con alto impulso trasverso.

Esternamente sono presenti rivelatori per i muoni. LHCb detector among the bending plane

Magnete[modifica | modifica sorgente]

Per misurare l'impulso delle particelle è utilizzato un magnete "caldo" (non superconduttore). La geometria del magnete è determinata dall'accettanza del rivelatore. È formato da due avvolgimenti a forma di cono, simmetrici, costituiti da conduttori d'alluminio. L'intensità massima del campo d'induzione magnetica è di circa 1 tesla, la direzione è quella verticale. Il magnete è stato progettato in modo che il campo magnetico fosse il più alto possibile tra il VELO e le stazioni di tracciamento e meno di 2 mT nella regione di RICH.

Alle particelle che attraversano il campo magnetico per 10 metri corrisponde in media un campo magnetico integrato del valore di \int\vec B\cdot d\vec l=4\,\mathrm{Tm}.

Il campo magnetico può essere facilmente invertito grazie alla sua natura non superconduttiva.

Istituti partecipanti[modifica | modifica sorgente]

Ad LHCb collaborano circa 700 persone (senza contare gli studenti) provenienti da 15 nazioni diverse[2].

Brasile (21)[modifica | modifica sorgente]

Cina (10)[modifica | modifica sorgente]

  • Cina Tsinghua University, Center for High Energy Physics, Pechino (10)

Francia (68)[modifica | modifica sorgente]

  • Francia Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3):lapp-Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules Annecy-le-Vieux (13)
  • Francia Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand II, Aubiere (16)
  • Francia Université d'Aix - Marseille II, Marsiglia (15)
  • Francia Université de Paris-Sud (Paris XI): Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (LAL), Orsay (19)
  • Francia Universités de Paris VI et VII: Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies (LPNHE), Parigi (5)

Germania (38)[modifica | modifica sorgente]

  • Germania Universität Dortmund: Fachbereich Physik, Dortmund (11)
  • Germania Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPI), Heidelberg (9)
  • Germania Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg: Physikalisches Institut, Heidelberg (18)

Irlanda (9)[modifica | modifica sorgente]

  • Irlanda Univ. College, Dept. Exptl. Phys. (UCD), Dublino (9)

Italia (89)[modifica | modifica sorgente]

Paesi Bassi (50)[modifica | modifica sorgente]

Polonia (15)[modifica | modifica sorgente]

  • Polonia Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences, Cracovia (5)
  • Polonia Akademia Gornicza-Hutnicza University of Science and Technology: Fac. of Phys. & Applied Comp. Sci. Cracovia (3)
  • Polonia The Andrzej Soltan Institute for Nuclear Studies, Varsavia (7)

Romania (9)[modifica | modifica sorgente]

  • Romania National Institute of Physics and Nuclear Engineering (IFIN-HH), Bucharest-Magurele (9)

Russia (98)[modifica | modifica sorgente]

  • Russia Petersburg Nuclear Physics Institute (PNPI), Gatchina (28)
  • Russia ITEP Institute for Theoretical and Experimental Physics (ITEP), Mosca (28)
  • Russia Lomonosov Moscow State University, Mosca (8)
  • Russia Russian Academy of Sciences: Institute for Nuclear Research (INR), Mosca (10)
  • Russia Budker Institute of Nuclear Physics (BINP), Novosibirsk (8)
  • Russia Institute for High Energy Physics,Russian Federation State Research Centre (IHEP), Protvino (16)

Spagna (42)[modifica | modifica sorgente]

Svizzera (103)[modifica | modifica sorgente]

Ucraina (7)[modifica | modifica sorgente]

  • Ucraina National Academy of Sciences of Ukraine (NASU): Kharkiv Institute of Physics and Technology (KIPT), Kharkiv (4)
  • Ucraina National Academy of Sciences of Ukraine NAS, Kiev (3)

Regno Unito (128)[modifica | modifica sorgente]

  • Regno Unito University of Bristol: H. H. Wills Physics Laboratory, Bristol (11)
  • Regno Unito University of Cambridge, Cambridge (10)
  • Regno Unito University of Warwick, Coventry (5)
  • Regno Unito STFC - Science & Technology Facilities Council: Rutherford Appleton Laboratory, Didcot (12)
  • Regno Unito University of Edinburgh, Edimburgo (15)
  • Regno Unito University of Glasgow, Glasgow (16)
  • Regno Unito University of Liverpool, Liverpool (20)
  • Regno Unito Imperial College, Londra (16)
  • Regno Unito University of Manchester: Department of Physics and Astronomy, Schuster Laboratory, Manchester (5)
  • Regno Unito University of Oxford, Oxford (18)

Stati Uniti d'America (12)[modifica | modifica sorgente]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ (EN) LHCb Collaboration, The LHCb Detector at the LHC in Journal of Instrumentation, vol. 3, nº 8, 2008, pp. S08005, DOI:10.1088/1748-0221/3/08/S08005.
  2. ^ (EN) LHCb graybook. URL consultato il 06-06-2009.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]