Das LHCb - Experiment

Das LHCb - Experiment
Large Hadron Collider beauty
Experiment
Jan Reher, Bochum, 17.6.2016
Inhalt
§ Einleitung
§ AufbaudesDetektors
§ Ausgewählte Ergebnisse
§ Ausblick
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Einleitung
§ Kollaborationmitca.1300Mitarbeiternaus13Ländern
§ LHCb – DetektoristeinerderviergroßenDetektorenamLHC
§
§
§
§
Vorwärtsspektrometer
OptimiertfürTeilchennahederStrahlachse
Gewicht:ca.5600T
Größe:21mx13mx10m
§ ZielsetzungdesLHCb – Experiments:
§ ErklärungderMaterie– AntimaterieAsymmetriedurchUntersuchung
vonVerletzungenderCP– SymmetriebeiB-Mesonen
§ SuchenachweiterenphysikalischenEffektenjenseitsdes
Standardmodells
§ BestimmungderParameterderCabibbo – Kabayashi – Maskawa Matrix
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Cabibbo – Kabayashi – Maskawa Matrix
§ Standardmodell:Übergängswahrscheinlichtkeiten zwischen
Quarkflavours durchgeladeneStröme sindgegebendurch
unitäre CKM– Matrix
§ KomplexePhasedieserMatrixführt zu CP-Verletzung,ist aber zu
klein,umdiese vollständig zu erklären
§ Stärker ausgeprägt bei Beteiligung schwerer Quarks
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Detektor
§ LHCb – DetektoristeinerderviergroßenDetektorenamLHC
§ VorwärtsspektrometerentlangderBeamline
§ AusKostengründen:NureineRichtungabgedeckt
§ Anforderungen:
§ SehrgenaueBestimmungderZerfallsvertices
§ AbdeckungsehrkleinerStreuwinkel
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
LHCb - Detektor
Quelle: LHCb collaboration.LHCb Detector Performance.arXiv.org hep-ex,(2014).
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
VertexLocator(VELO)
§ VerticesvonB-MesonensindumeinigeMillimeterversetzt
§ SehrpräziseMessungdesInteraktionspunktsundder
Zerfallsverticesermöglicht sehr genaue Selektion
§ FürPräzisionsmessungenmussderDetektorsehrnahamBeam
sein,darfihnbeimBefüllenabernichtstören
§ Lösung:BeweglichesDetektorelementinnerhalbdesLHCVakuums
§ OhnestabilenBeam:Elementein35mmAbstandvomBeam
§ Messung:Heranfahrenauf5mm
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
AufbaudesVELOs
Quelle: http://www.lhc-facts.ch/img/lhcb/vertex4.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
VELO
Quelle: Oblakowska-Mucha,A.The LHCb VertexLocator— performance and radiation damage. J. Inst.9,C01065–
C01065(2014).
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AufbauderVELO- Elemente
Quelle: Oblakowska-Mucha,A.The LHCb VertexLocator— performance and radiation damage. J. Inst.9,C01065–
C01065(2014).
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
VELO
Quelle: http://www.lhc-facts.ch/img/lhcb/vertex2.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
VertexLocator(2)
§ Silizium– DetektorelementezurMessungvonRadiusundWinkel
derTreffer
§ Detektoraus42Elementenhintereinander
§ RekonstruktioneinesTrackserfordertTrefferinmindestens3
Elementen(SowohlRadiusalsauchWinkel)
§ Ortsauflösung:ca.10µm
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
LHCb - Detektor
Quelle: LHCb collaboration.LHCb Detector Performance.arXiv.org hep-ex,(2014).
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
RICH– Detektor
§ LHCb verfügtüberzweiRICH– Detektoren
§ RICH1:VordemTrackingsystemunddemMagneten
§ Winkelabdeckungbiszu250mrad
§ OptimiertfürniedrigeundmittlereImpulse(Bis60GeV)
§ Material:C$ F&' - GasundAerogel
§ Spiegelmusstensogefertigtwerden,dasssiedieTeilchennicht
behindern/streuen
§ RICH2:hinterdemTrackingsystem
§ Winkelabdeckungbiszu300mrad
§ OptimiertfürmittlereundhoheImpulse(Bis100GeV)
§ Material:Tetrafluormethan – Gas(CF$)
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
SkizzeRICH
Quelle: http://www.lhc-facts.ch/img/lhcb/rich%20schema.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
LHCb - Detektor
Quelle: LHCb collaboration.LHCb Detector Performance.arXiv.org hep-ex,(2014).
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Trackingsystem
§ InsgesamtvierTrackingstationen
§ EinekleineStationvordemMagneten(TT)
§ WirdfürdenTriggerunddieRekonstruktionbenutzt
§ 150cmx130cmà VolleDetektorakzeptanz
§ DreiStationendahinter(T1,T2,T3)
§ PräziseSiliziumdetektorenimTTunddeminnerenTeilder
Haupttracker (IT)
§ ITca.120cmBreit,40cmhochà BereichmitdenmeistenTeilchen
§ SehrvielgenaueralsDrahtkammern,aberauchsehrvielteuerer
§ Drahtkammernindenäußren TeilenvonT1-T3
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
AufbauderTrackingstationen
Quelle: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Objects/Detector/Tracking-system-diagram-2.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Tracking:Siliziumdetektoren
§ Streifenbreiteca.200µm
§ Auslesestreifenfassen7.74cmbreiteStreifenzusammen
§ JederDetektorbestehtausvierSchichten:
§ VordersteundhintersteSchichtsindgerade
§ ZweiteSchichtistum5GradgegendenUhrzeigersinngeneigt
§ DritteSchichtum5GradimUhrzeigersinn
§ Ortsauflösungvonca.50µm
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
TriggerTracker (TT)
Quelle: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Objects/Detector/TT-layout.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Tracking:Drahtkammern
§ GenutztfüreinenGroßteilderFlächedesTrackers
§ PreislichdeutlichgünstigeralsSiliziumdetektoren
§ GenutztfürBereichemitwenigInteraktion
§ Radius:5mm
§ EnthalteneineMischungaus70%Argonund30%CO)
§ DriftzeitenliegenimBereichvon75nsà LangeTotzeitverglichen
mitSilizium
§ ResultierendeOrtsauflösungvonca.200µm
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Drahtkammer
Quelle: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Objects/Detector/OuterTracker.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Tracking:Magnet
§ Dipolmagnet
§ ZweiSpulen,Gewichtje27T
§ Stahljoch,Gewichtca.1450T
§ Abdeckungvon300mradhorizontal,250mradvertikal
§ Anforderungen:
§ TrackingsystemsollImpulsebis200GeV/cmitGenauigkeit0.4%messen
§ ErfordertintegriertesMagnetfeldvon4Tm
§ FeldindenbenachbartenRICH– Detektorendarfnichtgrößer
als2mTwerden!
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
LHCb - Magnet
Quelle: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Objects/Detector/Magnet1.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
LHCb - Detektor
Quelle: LHCb collaboration.LHCb Detector Performance.arXiv.org hep-ex,(2014).
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
ElektromagnetischesKalorimeter
§ Zur Energiemessung vonElektronen undPhotonen
§ SPD(ScintillatingPadDetector)vor dem ECALbestimmt Ladung
§ PS(Pre-ShowerDetector)bestimmt Elektromagnetischen
Charakter derTeilchen
§ Eigentliches ECAL:Shashlik - Prinzip
§ Abwechselnd 4mmSzintillator und2mmBlei
§ Auslesung über rund 3300Photomultiplier
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
ElektromagnetischesKalorimeter
Quelle: http://www.lhc-facts.ch/img/lhcb/ecal1.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Hadronisches Kalorimeter
§ AufgebauthinterdemElektromagnetischenKalorimeter
§ Aufbau:ÄhnlichECAL,abwechselnd:
§ 16mmEisenplattenzurErzeugungvonSchauern
§ 4mmSzintillatoren zurDetektionderSchauer
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Hadronisches Kalorimeter
Quelle: http://www.lhc-facts.ch/img/lhcb/hcal1.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Hadronisches Kalorimeter
Quelle: http://www.lhc-facts.ch/img/lhcb/hcal2.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
LHCb - Detektor
Quelle: LHCb collaboration.LHCb Detector Performance.arXiv.org hep-ex,(2014).
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Myonspektrometer
§ WegenderdurchdringendenNaturderMyonen:HintererTeil
desDetektors
§ Insgesamt5Einheiten
§ M1:VordenKalorimetern
§ M2-M5:Ganzhinten
§ 80cmBleizwischendenEinheitenfilternletzteHadronen
§ Myonenkammern:
§ BestehenausVieldraht-ProportionalzählernundDriftrohren
§ GefülltmitGasgemischausCO) ,ArgonundCF$
§ 1400KammernproEinheit
§ FeinereGranularitätnahedesStrahlrohrs
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Myonspektrometer
Quelle: http://www.lhc-facts.ch/img/lhcb/myon1.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Triggersystem
§ Interaktionsrate:40MHz,nurca.10MHzwerdenDetektiert
§ ZweistufigesTriggersystem zurReduktionderRateaufca.2kHz
§ LevelZeroTrigger(L0)
§ BasiertaufspeziellangepassterElektronik
§ VerwendetDatenvonVELO,KalorimeternundM1-M5
§ InteressanteEventshabenhohenTransversalimpulsà Selektionsolcher
EventsdurchKalorimeterundMyonenkammern
§ VELO-Daten,umEventsmitmehrerenP-P-Interaktionenzuverwerfen
§ ReduziertRateauf1MHz
§ Hight LevelTrigger(HLT)
§ SoftwaretriggeraufRechnerfarm(1000Computermitje16Kernen)
§ GesamteDetektorinformationen
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Triggersystem:HLT
§ WiederumZweistufig
§ HLT1
§ VerwendetDetektorregionenumdieKandidatendesL0
§ BestätigtdenhohenpT mitInformationenderanderenDetektoren
§ Eventrate:1MHzà ca.10kHz
§ HLT2
§ VollständigeRekonstruktiondesEventsausgehendvondenVELO-Tracks
§ Suchenachdisplaced vertices
§ Sekektionsformen:
§ InklusiveSelektion:SammeltZerfällehäufiginB-Zerfällen
produzierterResonanzenà NützlichzurKalibrierung
§ ExklusiveSelektion:HöchstmöglicheEffizienzvollständig
rekonstruierterB-Zerfälle
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
SchemadesTriggersystems
Quelle: http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Objects/Computing/Trigger-diagram.jpg
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Ausgewählte Ergebnisse
§ LHCbwaraneinerVielzahlverschiedenerEntdeckungenbeteiligt.
§ Erklärung dernicht zur Theorie passenden Lebensdauer desΛ +
§ TheoretischeVorhersagederΛ + - Lebensdauer:Etwagleichderdes𝐵 '
§ ErsteMessungen1990amFermilab ergabenum20%geringerenWert
§ 2013:LHCb entdecktneuenZerfallskanal,Λ - → /10 pK 5, /10 → µµ
§ NeuerKanalisthäufig genug,umdieLebensdauer zu erklären
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Ausgewählte Ergebnisse (2)
§ BeobachtungvonB '- undD' - Oszillationen
§ 𝐵 '- und𝐷 '- Mesonenkönnen mit sehr hoher Frequenz zwischen
Teilchen undentsprechendem Antiteilchen oszillieren
§ März 2016:Messung derOszillationsfrequenz des𝐵 ' zu 505.0 ±
2.1𝑛𝑠 5&
§ Mai2016:Präzisionsmessung derAsymmetrie inderOszillation durch
LHCb.Ergebnis:Konsistent mit Standardmodell!
§ SuchenachTetraquark-KandidatenX(5568)
§ Februar2016:D0-KollaborationamFermilab veröffentlicht Beobachtung
einer schmalen Resonanz inderinvarianten Massevon𝐵B' 𝜋 ±
§ März 2016:LHCb veröffentlicht Spektrum desentsprechenden
Massenbereichs,indem keine Resonanz zu sehen ist
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Pentaquark-KandidatX(3872)
§ ErsteBeobachtungbereits2003durchBelle
§ Bestätigung derExistenz durch CDF,D0undBaBar
§ CDF:Einschränkung derQuantenzahlen zu J EF = 1HH oder25H
§ LHCb:ZweifelsfreieBestimmungvon𝐽JK = 1HH
§ BeschreibungdurchQuark-Antiquark-Quantenzahlenmacht
Pentaquarknatur sehrunwahrscheinlich
§ DurchLageimCharmoniumsektor andereTheorien:
§ X(3872)alsTetraquark (diquark-antidiquark)
§ X(3872)alsCharmoniummolekül
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Einleitung
AufbaudesDetektors
Ausgewählte Ergebnisse
Ausblick
Ausblick
§ UpgradedesLHCb Detektorsgeplantbeimnächsten großen
ShutdowndesLHCin2019/2020
§ Verbesserung derAusleseelektronik,sodass alle Eventsim HLT
verarbeitet werden können
§ Optimierung für höhrere Luminosität
§ Weitere Verbesserungen Mitte der2020’er:
§ Neues,aufCherenkovlicht basierendes Tof-System
§ Detektoren andenSeiten desMagneten,umauch Teilchen mit niedrigem
Impuls vermessen zu können
§ Ersetzen derinneren RegiondesEMCdurch neure Technologie
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Quellen
§
Borghi,S.others.Firstspatial alignment of the LHCb VELOand analysis of beamabsorber collision data.Nucl.
Instrum.Meth.A618,108–120(2010).
§
LHCb collaboration etal.LHCb Detector Performance.arXiv.org hep-ex,(2014).
§
Adinol ,M.,Rinella,G.A.,Albrecht,E.&Bellunato,T.Performanceof the LHCb RICHdetector atthe LHC.The
EuropeanPhysical ...(2013).doi:10.1140/epjc/s10052-013-2431-9
§
Oblakowska-Mucha, A.TheLHCb VertexLocator— performance and radiation damage.J.Inst.9,C01065C01065
(2014).
§
Aaij,R.etal.TheLHCb trigger and its performance in2011.J.Inst.8,P04022–P04022 (2013).
§
http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=lhcb
§
http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/
41