Введение

Эксперимент на Большом адронном коллайдере

Эксперимент LHCb (Large Hadron Collider beauty – «красота Большого адронного коллайдера») – это детекторный эксперимент по физике частиц, собирающий данные на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. LHCb – специализированный эксперимент по b-физике, разработанный главным образом для измерения параметров нарушения CP-инвариантности во взаимодействиях b-адронов (тяжелых частиц, содержащих b-кварк). Такие исследования могут помочь объяснить асимметрию между материей и антиматерией во Вселенной. Детектор также способен проводить измерения сечений образования частиц, изучать спектроскопию экзотических адронов, физику c-кварков и электрослабую физику в передней области. Сотрудники LHCb, которые построили, эксплуатируют и анализируют данные эксперимента, насчитывают около 1650 человек из 98 научных институтов, представляющих 22 страны. 1 июля 2023 года Винченцо Вагнони сменил Криса Паркса (представитель коллаборации в 2020–2023 годах) на посту представителя коллаборации. Эксперимент расположен в точке 8 на туннеле БАК недалеко от Ферни-Вольтера (Франция), сразу за границей с Женевой. В той же каверне располагается (небольшой) эксперимент MoEDAL.

Цели физики

Эксперимент имеет широкую физическую программу, охватывающую многие важные аспекты физики тяжелых кварков (как b-кварков, так и c-кварков), электрослабых взаимодействий и квантовой хромодинамики (QCD). Было выделено шесть ключевых измерений, связанных с B-мезонами. Они описаны в документе-плане, который сформировал основную физическую программу для первого запуска Большого адронного коллайдера на высоких энергиях в 2010–2012 годах. Они включают в себя:
Измерение отношения ветвления редкого распада Bs → μ+ μ−. Измерение асимметрии между прямым и обратным направлениями распадов пары мюонов в распадах Bd → K* μ+ μ−, обусловленных изменением аромата нейтрального тока. Такой процесс изменения аромата нейтрального тока невозможен на уровне дерева в Стандартной модели физики частиц и происходит только через петлевые и коробчатые диаграммы Фейнмана; свойства распада могут быть существенно модифицированы новой физикой. Измерение фазы нарушения CP в распаде Bs → J/ψ φ, вызванной интерференцией между распадами с колебаниями Bs и без них. Эта фаза является одним из CP-наблюдаемых с наименьшей теоретической неопределенностью в Стандартной модели и может быть значительно изменена новой физикой. Измерение свойств радиационных распадов B, то есть распадов B-мезонов с фотонами в конечном состоянии. В частности, это опять же распады, обусловленные изменением аромата нейтрального тока. Определение угла γ унитарного треугольника на уровне дерева.
Беззарядные двухчастичные распады B-мезонов.

Детектор LHCb

Тот факт, что два b-адрона преимущественно производятся в одном и том же переднем конусе, используется при проектировании детектора LHCb. Детектор LHCb представляет собой однорукий форвардный спектрометр с поляриугловым охватом от 10 до 300 миллирадианов (mrad) в горизонтальной плоскости и 250 mrad в вертикальной. Асимметрия между горизонтальной и вертикальной плоскостями обусловлена большим дипольным магнитом, основной компонент магнитного поля которого направлен вертикально.

Модернизация LHCb (20192021)

В конце 2018 года Большой адронный коллайдер был остановлен для модернизации, а перезапуск в настоящее время планируется на начало 2022 года. Для детектора LHCb почти все субдетекторы будут модернизированы или заменены. Он получит полностью новую систему слежения, состоящую из модернизированного локатора вершин, трекера верхнего потока (UT) и трекера из сцинтиллирующих волокон (SciFi). Детекторы RICH также будут обновлены, как и вся электронная система детектора. Однако наиболее важным изменением является переход к полностью программной системе триггеров эксперимента, что означает, что каждое зарегистрированное столкновение будет анализироваться сложными программными алгоритмами без промежуточного этапа аппаратной фильтрации (который ранее являлся узким местом).

Результаты

Во время протоно-протонного запуска 2011 года LHCb зарегистрировал интегрированную светимость 1 fb−1 при энергии столкновения 7 ТэВ. В 2012 году было собрано около 2 fb−1 при энергии 8 ТэВ. В течение 2015–2018 годов (Run 2 ускорителя LHC) было собрано около 6 fb−1 при энергии в центре масс 13 ТэВ. Кроме того, были собраны небольшие выборки данных в столкновениях протон-свинец, свинец-свинец и ксенон-ксенон. Конструкция LHCb также позволила изучать столкновения пучков частиц с газом (гелием или неоном), вводимым внутрь объема VELO, что делает его аналогичным эксперименту с неподвижной мишенью; эта конфигурация обычно называется "SMOG". Эти наборы данных позволяют коллаборации выполнять физическую программу, включающую прецизионные проверки Стандартной модели и множество дополнительных измерений. По состоянию на 2021 год LHCb опубликовала более 500 научных статей.

Нарушение ПП и смешивание

Исследования нарушения CP-инвариантности (CP) в распадах B-мезонов являются основной конструкторской целью эксперимента LHCb. По состоянию на 2021 год измерения, полученные на LHCb, с замечательной точностью подтверждают картину, описываемую треугольником унитарности CKM. Угол треугольника унитарности теперь известен с точностью до 4° и согласуется с косвенными определениями. В 2019 году LHCb объявил об открытии нарушения CP-инвариантности в распадах очарованных мезонов. Это первый случай наблюдения нарушения CP-инвариантности в распадах частиц, отличных от каонов или B-мезонов. Величина наблюдаемой CP-асимметрии находится на верхней границе существующих теоретических предсказаний, что вызвало интерес у теоретиков-физиков частиц относительно возможного влияния физики за пределами Стандартной модели. В 2020 году LHCb объявил об открытии нарушения CP-инвариантности, зависящего от времени, в распадах Bs-мезонов. Частота осцилляций Bs-мезонов в их античастицы и обратно была измерена с высокой точностью в 2021 году.

Редкие распадки

Редкие распады – это каналы распада, сильно подавленные в Стандартной модели, что делает их чувствительными к потенциальным эффектам от ещё неизвестных физических механизмов. В 2014 году эксперименты LHCb и CMS опубликовали совместную статью в журнале Nature, объявив об открытии очень редкого распада, интенсивность которого оказалась близка к предсказаниям Стандартной модели. Это измерение существенно ограничило допустимое пространство параметров теорий суперсимметрии, предсказывавших значительное увеличение интенсивности. С тех пор LHCb опубликовал несколько статей с более точными измерениями в этом канале распада. Аномалии были обнаружены в нескольких редких распадах B-мезонов. Наиболее известный пример в так называемой угловой наблюдаемой был найден в распаде, где расхождение между данными и теоретическим предсказанием сохраняется на протяжении многих лет. Интенсивности нескольких редких распадов также отличаются от теоретических предсказаний, хотя последние имеют значительные погрешности.

Универсальность ароматизации лептона

В Стандартной модели предполагается, что связи заряженных лептонов (электрона, мюона и тау-лептона) с калибровочными бозонами идентичны, и единственное различие возникает из-за масс лептонов. Этот постулат называется "универсальностью лептонного вкуса". Следовательно, в распадах b-адронов электроны и мюоны должны производиться с сопоставимой частотой, а небольшая разница, обусловленная массами лептонов, точно вычисляется. Эксперимент LHCb обнаружил отклонения от этих предсказаний, сравнив частоту распада с частотой распада , и в аналогичных процессах. Однако, поскольку рассматриваемые распады крайне редки, для получения окончательных выводов необходим анализ большего объема данных. В марте 2021 года LHCb объявил, что аномалия в универсальности лептонного вкуса превысила порог статистической значимости в "3 сигмы", что соответствует p-значению 0,1%. Измеренное значение , где символ обозначает вероятность данного распада, оказалось равным , в то время как Стандартная модель предсказывает значение, очень близкое к единице. В декабре 2022 года более точные измерения опровергли эту аномалию. В августе 2023 года совместные поиски в лептонических распадах (LHCb) и полулептонических распадах (Belle II, с ) установили новые ограничения на нарушения универсальности лептонного вкуса.

Другие измерения

LHCb внес вклад в изучение квантовой хромодинамики, электрослабой физики и предоставил измерения сечения рассеяния для физики астрочастиц.