LHCb

LHCb (от англ. Large Hadron Collider beauty) — один из четырёх основных детекторов на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, специализирующийся на изучении физики B-мезонов (адронов, содержащих b-кварк) и точном измерении CP-нарушения. Эксперимент предназначен для поиска различий между материей и антиматерией, а также для обнаружения редких распадов частиц, которые могут указывать на физику за пределами Стандартной модели.

История

Проект LHCb был одобрен ЦЕРНом в 1995 году как часть программы Большого адронного коллайдера. Строительство детектора велось с 1998 по 2007 год, а первый набор данных начался в 2009 году после запуска БАК. В 2018 году, после завершения второго сеанса работы (Run 2), детектор был остановлен для модернизации в рамках фазы Upgrade I. В 2022 году начался третий сеанс (Run 3) с обновлённым детектором, способным обрабатывать в пять раз большую светимость, чем ранее. К 2025 году запланирована дальнейшая модернизация (Upgrade II) для работы в условиях высокой светимости HL-LHC.

Устройство и принцип работы

Детектор LHCb имеет уникальную конструкцию: в отличие от других универсальных детекторов БАК (ATLAS и CMS), он представляет собой одноплечевой спектрометр. Такая конфигурация обусловлена тем, что B-мезоны при столкновениях протонов рождаются преимущественно в направлении пучка — в передней и задней областях. Детектор охватывает угол от 10 до 300 миллирадиан относительно оси пучка.

Основные подсистемы

• Вершинный детектор (VELO) — кремниевый трекер, расположенный вблизи точки столкновения. Обеспечивает точное определение вершины распада B-мезонов с разрешением до 10 микрометров.
• Трекер (TT, T1–T3) — система кремниевых и дрейфовых камер для измерения траекторий заряженных частиц.
• Магнит — дипольный магнит с полем 4 Тл, искривляющий траектории частиц для определения их импульса.
• Черенковские детекторы (RICH1 и RICH2) — идентифицируют заряженные частицы (пионы, каоны, протоны) по углу черенковского излучения.
• Калориметры — электромагнитный (ECAL) и адронный (HCAL) калориметры для измерения энергии электронов, фотонов и адронов.
• Мюонная система — детекторы для регистрации мюонов, которые проходят через все предыдущие слои.

Сбор данных

LHCb использует систему триггеров: аппаратный триггер первого уровня (L0) отбирает события с высокой поперечной энергией, а программный триггер высокого уровня (HLT) проводит более детальный анализ. После модернизации в 2022 году система перешла на полностью программный триггер, работающий в реальном времени.

Научные задачи

Основные цели эксперимента LHCb включают:

• Изучение CP-нарушения — точное измерение параметров CP-нарушения в распадах B-мезонов и сравнение с предсказаниями Стандартной модели.
• Поиск редких распадов — например, распад B⁰ₛ → μ⁺μ⁻, который крайне редко происходит в Стандартной модели, но может усиливаться в моделях новой физики.
• Исследование адронной спектроскопии — открытие и изучение экзотических адронов, таких как тетракварки и пентакварки.
• Поиск лептонной универсальности — проверка равенства вероятностей распадов B-мезонов с участием электронов, мюонов и тау-лептонов.
• Измерение осцилляций нейтральных мезонов — изучение переходов между частицей и античастицей для B⁰, B⁰ₛ и D⁰-мезонов.

Ключевые результаты

За время работы коллаборация LHCb (объединяющая более 1000 учёных из 20 стран) получила ряд значимых результатов:

• 2013 год — впервые наблюдался распад B⁰ₛ → μ⁺μ⁻, что подтвердило предсказания Стандартной модели и наложило ограничения на теории суперсимметрии.
• 2015 год — открытие пентакварка Pc(4450)⁺ в распаде Λ⁰b → J/ψ p K⁻. Это первое экспериментальное подтверждение существования частиц, состоящих из пяти кварков.
• 2019 год — обнаружение тетракварка Z(4430)⁻ и других экзотических состояний.
• 2020 год — наблюдение распада B⁰ → K*⁰ μ⁺μ⁻ с аномалиями в угловых распределениях, что может указывать на нарушение лептонной универсальности (так называемый «аномалия RK»).
• 2022 год — первое прямое наблюдение CP-нарушения в распадах очарованных мезонов (D⁰ → π⁺π⁻).

Модернизация и перспективы

Upgrade I (2019–2022)

В ходе первой модернизации детектор был переведён на полностью бестриггерную систему сбора данных, работающую на частоте 40 МГц. Установлены новые кремниевые датчики VELO, улучшена система идентификации частиц. Это позволило увеличить скорость набора данных в пять раз.

Upgrade II (планируется на 2030-е годы)

Вторая модернизация предназначена для работы при светимости в 10 раз выше текущей. Планируется замена всех трековых систем на более радиационно-стойкие, внедрение новых детекторов для точного измерения времени жизни частиц и установка более быстрой электроники.

Критика и ограничения

Основным ограничением LHCb является его специализация: детектор не может измерять частицы, вылетающие под большими углами к оси пучка, что ограничивает его возможности по поиску суперсимметрии и тёмной материи. Кроме того, точность измерений CP-нарушения ограничена статистической погрешностью, что требует набора больших объёмов данных. Некоторые аномалии, обнаруженные LHCb (например, в распадах B → K μμ), пока не подтверждены независимыми экспериментами и могут быть статистическими флуктуациями.

Международное сотрудничество

В коллаборацию LHCb входят научные группы из 20 стран, включая Россию. Российские институты (Институт теоретической и экспериментальной физики, Объединённый институт ядерных исследований в Дубне, Институт ядерной физики СО РАН) участвуют в разработке детекторов и анализе данных. В 2022 году, в связи с санкциями, сотрудничество российских учёных с ЦЕРНом было ограничено, однако ранее полученные данные продолжают обрабатываться.

Источники

• The LHCb Collaboration. The LHCb Detector at the LHC // Journal of Instrumentation, 2008.
• The LHCb Collaboration. Measurement of the B⁰ₛ → μ⁺μ⁻ Branching Fraction // Physical Review Letters, 2013.
• The LHCb Collaboration. Observation of a Pentaquark State in Λ⁰b Decays // Physical Review Letters, 2015.
• The LHCb Collaboration. Test of Lepton Universality in B⁰ → K⁰ℓ⁺ℓ⁻ Decays* // Nature Physics, 2022.
• CERN. LHCb Upgrade Technical Design Report // CERN-LHCC-2018-007, 2018.