Кіріспе

Үлкен адрондық коллайдердегі эксперимент

LHCb (Large Hadron Collider beauty) эксперименті – CERN-дегі Үлкен адрондық коллайдерде деректер жинап алатын бөлшектер физикасы детекторы. LHCb – бұл b-физикасы бойынша мамандықтанған эксперимент, ол негізінен b-адрондардың (төмен кваркын қамтитын ауыр бөлшектер) өзара әрекеттесуіндегі CP-бұзу параметрлерін өлшеу үшін жобаланған. Мұндай зерттеулер Әлемнің материя-антиматерия асимметриясын түсіндіруге көмектеседі. Детектор сонымен қатар алдыңғы аймақтағы өндіріс қималарын, экзотикалық адрон спектроскопиясын, шарм физикасын және электроәлсіз физиканы өлшеуге қабілетті. LHCb ынтымақтастығына қатысушылар, эксперименттен алынған деректерді құрастырып, пайдаланатын және талдайтын 98 ғылыми институттың 22 елден келген шамамен 1650 адамнан тұрады. Винченцо Вагнони 2023 жылдың 1 шілдесінде Крис Паркстен (2020–2023 жылдар аралығындағы өкіл) ынтымақтастық өкілінің қызметін иеленді. Эксперимент Женевадан аса жақын, Францияның Ферни-Вольтер қаласына жақын орналасқан Үлкен адрондық коллайдердің 8-ші нүктесінде орналасқан. Кішкентай MoEDAL эксперименті де осы үңгірді бөліседі.

Физика мақсаттары

Экспериментте физиканың кең ауқымы бар, ол ауыр дәмнің (әсемдік және тартымдылық), электр әлсіз және кванттық хромодинамика (QCD) физикасының көптеген маңызды аспектілерін қамтиды. B мезондарына қатысты алты негізгі өлшем анықталды. Бұл 2010–2012 жылдарығы алғашқы жоғары энергиялы БАҚ іске қосылуы үшін физиканың негізгі бағдарламасын құрайтын жол картасында сипатталған. Олар: сирек кездесетін Bs → μ+ μ− ыдырауының тармақтану қатынасын өлшеу. Дәмді өзгертетін бейтарап ток мюон жұптарының алға-артқа асимметриясын өлшеу Bd → K* μ+ μ− ыдырауы. Мұндай дәмді өзгертетін бейтарап ток бөлшектер физикасының стандартты моделінде ағаш деңгейінде пайда бола алмайды және тек қорап және цикл Фейнман диаграммалары арқылы ғана мүмкін болады; ыдыраудың қасиеттері жаңа физикамен күрт өзгеруі мүмкін. Bs → J/ψ φ ыдырауындағы CP бұзушы фазаны өлшеу, ол Bs тербелісімен және тербеліссіз ыдыраулар арасындағы интерференциядан туындайды. Бұл фаза стандартты модельдегі ең аз теориялық белгісіздікке ие CP байқалатын шамаларының бірі және жаңа физикамен айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Радиациялық B ыдырауларының, яғни соңғы күйде фотондармен B мезонының ыдырауларын өлшеу қасиеттері. Нақтырақ айтқанда, бұл да дәмді өзгертетін, нейтралды ток ыдыраулары. Бөлшектік үшбұрыштың γ бұрышын ағаш деңгейінде анықтау. Зарядталған екі денелі B ыдыраулары.

LHCb детекторы

Екі b адронның көбінесе бір алдыңғы конусқа түсуі LHCb детекторының құрылымында пайдаланылады. LHCb детекторы - көлденең жазықтықта 10-дан 300 миллирадианға (mrad) дейін және тік жазықтықта 250 mrad полярлық бұрышпен қамтылған бір жақты алдыңғы спектрометр. Көлденең және тік жазықтықтар арасындағы асимметрия негізгі өріс компоненті тік бағытта орналасқан үлкен дипольды магнит арқылы анықталады.

LHCb жаңарту (2019-2021)

2018 жылдың соңында LHC жаңарту үшін жабылды, қазіргі уақытта 2022 жылдың басында қайта іске қосу жоспарлануда. LHCb детекторының дерлік барлық субдетекторлары жаңартылуы немесе ауыстырылуы керек. Ол жаңғыртылған нүктелерді анықтағыш, жоғары ағыстағы тракт (UT) және сцинтилляторлы талшықты тракт (SciFi) құрылғыларынан тұратын толығымен жаңа тракт жүйесін алады. RICH детекторлары да, детектордың барлық электроникасы да жаңартылады. Дегенмен, ең маңызды өзгеріс – тәжірибеде толыққанды бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы іске қосуға көшу, яғни әрбір тіркелген соқтығысу бұрынғыда шектеуші фактор болған аралық аппараттық сүзгілеу қадамысыз, күрделі бағдарламалармен талданады.

Нәтижелер

2011 жылғы протон-протондық жүріс кезінде LHCb 7 ТэВ соқтығысу энергиясында 1 фб⁻¹ интегралдық жарқырауды тіркеді. 2012 жылы 8 ТэВ энергиясында шамамен 2 фб⁻¹ жиналды. 2015–2018 жылдары (LHC-ның 2-ші кезеңінде) 13 ТэВ орталық массалық энергиясында шамамен 6 фб⁻¹ жиналды. Бұған қоса, протон-қорғасын, қорғасын-қорғасын және ксенон-ксенон соқтығысуларында шағын үлгілер жиналды. LHCb конструкциясы VELO көлеміне енгізілген газ (гелий немесе неон) арқылы бөлшектер шоғының соқтығысуын зерттеуге мүмкіндік берді, бұл оны бекітілген нысаналы экспериментке ұқсас етеді; бұл конфигурация әдетте "SMOG" деп аталады. Бұл деректер жиынтығы коллаборацияға көптеген қосымша өлшемдермен қатар, стандартты модельді дәл сынаудан тұратын физикалық бағдарламаны жүргізуге мүмкіндік береді. 2021 жылға дейін LHCb 500-ден астам ғылыми мақала жариялады.

CP-ны бұзу және араластыру

B мезондарының зарядтық паритетін (CP) бұзу зерттеуі – LHCb экспериментінің басты жобалық мақсаты. 2021 жылғы мәліметтерге сәйкес, LHCb өлшемдері CKM бірлік үшбұрышымен сипатталған картинаны ерекше дәлдікпен растайды. Бірлік үшбұрышының бұрышы қазір шамамен 4°-қа дейін белгілі және жанама есептеулермен сәйкес келеді. 2019 жылы LHCb шарм мезондарының ыдырауында CP бұзуын ашқанын хабарлады. Бұл каондар мен B мезондарынан өзге бөлшектердің ыдырауында CP бұзуының алғашқы байқалуы. Анықталған CP асимметриясының шамасы қазіргі теориялық болжамдардың жоғарғы шегінде, бұл бөлшектер физигінің Стандартты модельден тыс физиканың ықпалы мүмкіндігіне деген қызығушылығын оялды. 2020 жылы LHCb Bs мезондарының ыдырауында уақытқа тәуелді CP бұзуын ашқанын жариялады. 2021 жылы Bs мезондарының антибөлшекке және керісінше өте дәл тербеліс жиілігі өлшенді.

Сирек зақымдану

Сирек ыдыраулар – Стандартты модельде күшті түрде басылған ыдырау түрлері, олар әлі белгісіз физикалық механизмдердің әсеріне сезімтал. 2014 жылы LHCb және CMS эксперименттері Nature журналында өте сирек кездесетін ыдыраудың табылуын жариялады, оның жылдамдығы Стандартты модельдің болжамдарына жақын екені анықталды. Бұл өлшеу, жылдамдықтың күрт өсуін болжаған суперсимметрия теориясының мүмкін болатын параметрлер кеңістігін шектеді. Одан бері LHCb осы ыдырау түріндегі дәл өлшемдермен бірнеше мақала жариялады. B мезондарының бірнеше сирек ыдырауларында аномалиялар анықталды. Ең әйгілі мысал – «бұрыштық байқалатын» деп аталатын нәрседегі ыдырау, онда деректер мен теориялық болжам арасындағы айырмашылық жылдар бойы сақталып келеді. Бірнеше сирек ыдыраудың ыдырау жылдамдықтары теориялық болжамдардан өзгеше, бірақ соңғыларында елеулі белгісіздік бар.

Лептондағы дәмнің жалпылығы

Стандартты модельде зарядталған лептондардың (электрон, мюон және тау лептоны) өлшеуіш бозондармен байланыстары бірдей болуы күтіледі, айырмашылық тек лептондардың массасынан туындайды. Бұл постулат "лептон хош иісінің әмбебаптығы" деп аталады. Салдарынан, b адрондарының ыдырауында электрондар мен мюондар шамамен бірдей деңгейде өндірілуі керек, ал лептондардың массасына байланысты шағын айырмашылықты дәл есептеуге болады. LHCb, және ұқсас процестерде ыдырау жиілігін салыстыру арқылы осы болжамдардан ауытқуларды анықтады. Дегенмен, бұл ыдыраулар өте сирек болатындықтан, нақты қорытындылар жасау үшін үлкен деректер жиынтығын талдау қажет. 2021 жылдың наурызында LHCb лептондардың әмбебаптығындағы аномалияның статистикалық маңыздылығы "3 сигма" шегінен асып түскенін хабарлады, бұл p мәні 0,1% құрайды. символы берілген ыдыраудың ықтималдығын білдіретін өлшенген мәні, Стандартты модель бірлікке өте жақын мәнді болжаса, табылды. 2022 жылдың желтоқсанында жақсартылған өлшемдер бұл аномалияны жоққа шығарды. 2023 жылдың тамызында LHCb және Belle II (with) лептондық ыдыраулардағы іздеулерге қосылып, әмбебаптықтың бұзылуына жаңа шектеулер қойды.

Басқа өлшемдер

LHCb кванттық хромодинамика, электроәлсіз физиканы зерттеуге үлес қосты және астробөлшектер физикасы үшін көлденең қима өлшемдерін ұсынды.