LHCb

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Large Hadron Collider (LHC) Anordnung der verschiedenen Beschleuniger und Detektoren des LHC
Anordnung der verschiedenen Beschleuniger und Detektoren des LHC
Detektoren
  Teilweise aufgebaut:
Vorbeschleuniger

Das LHCb-Experiment (für Large Hadron Collider beauty) ist eines von sechs Experimenten am Large Hadron Collider am CERN. LHCb ist unter anderem spezialisiert auf die Untersuchung von Zerfällen von Hadronen, die ein bottom- oder charm-Quark enthalten. Die resultierenden Präzisionsmessungen zur CP-Verletzung oder zu seltenen Zerfällen erlauben sensitive Tests des Standardmodells. Sprecher des Experiments ist zurzeit (2014) Guy Wilkinson.[1]

Schnitt durch den LHCb Detektor

Aufbau des LHCb-Detektors[Bearbeiten]

Die b-Quarks werden dominant durch die starke Wechselwirkung erzeugt, so dass sie in Paaren von Quark und Antiquark erzeugt werden. Zahlreiche Messungen zu neutralen B-Mesonen erfordern die Kenntnis, ob zum Zeitpunkt der Erzeugung ein b- oder anti-b-Quark vorlag. Dazu müssen oft die Zerfallsprodukte beider B-Hadronen im Ereignis untersucht werden. Bei Erzeugung eines b-Quarks in Richtung der Strahlachse ist die Wahrscheinlichkeit maximal, dass auch das andere b-Quark in diese Richtung fliegt. Dies erklärt auch die Geometrie des LHCb-Detektors, der als Vorwärtsspektrometer aufgebaut ist. Aus Kostengründen ist nur eine der beiden möglichen Richtungen instrumentiert.

Wie alle großen LHC-Detektoren verfügt auch der LHCb-Detektor über ein Strahlmonitorsystem (Beam Conditions Monitor, BCM[2]). Der BCM überwacht mittels Diamant-Sensoren, die nahe der Strahlachse montiert sind, die Strahlqualität. Die Sensoren messen die Ionisation, die geladene Teilchen beim Durchgang erzeugen. Übersteigt das Signal bestimmte Schwellen, wird der Strahl im LHC automatisch aus dem Beschleuniger heraus geleitet und entsorgt (beam dump), um den Detektor vor Schäden durch außer Kontrolle geratene Strahlen zu schützen.

Vertexdetektor VELO[Bearbeiten]

B-Mesonen haben eine sehr kurze Lebenszeit und zerfallen bereits nach wenigen Millimetern Flugstrecke. Mit dem VELO-Detektor ist eine genaue Positionsbestimmung des Zerfallsorts möglich und die Teilchenspuren im Detektor lassen sich ihrem Ursprungsort zuordnen.

Der Vertexdetektor besteht aus 42 halbkreisförmigen Halbleiter-Spurdetektoren, die entlang des Strahls um den Kollisionspunkt herum angeordnet sind. Die Halbleiterdetektoren mit einer Dicke von jeweils 0,3 mm haben eine Auflösung von 10 µm und die nächsten Teile befinden sich in einem Abstand von lediglich 7 mm zum Strahl. Durch diese Anordnung können die Kollisionspunkte mit einer Auflösung von unter 50 µm ermittelt werden.

Während der Testphase und bei der Befüllung des LHC kann es zu Instabilitäten des Strahls kommen. Um die strahlnahen Detektoren vor dem hochenergetischen Strahl zu schützen, sind die Detektoren auf Schlitten montiert und werden erst nach der Stabilisation des Strahls in die Strahlnähe gefahren, ansonsten befinden sie sich in der Ruheposition 35 mm vom Strahl entfernt. Das gesamte VELO-Detektorsystem befindet sich in einer Vakuumkammer. Die Detektoren werden über ein CO2-Kühlsystem auf etwa −25 °C gekühlt.[3]

RICH-Detektoren[Bearbeiten]

Direkt hinter dem VELO-Detektor befindet sich der RICH-1-Detektor. Es handelt sich um einen Ring-imaging Cherenkov detector, in dem aus der Tscherenkow-Strahlung geladener Teilchen beim Durchgang durch ein optisch dichtes Medium die Geschwindigkeit der Teilchen ermittelt werden kann.

Im RICH-1 kommen zwei optische Medien mit verschiedenem Brechungsindex zum Einsatz, zuerst eine Scheibe aus Aerogel, gefolgt von einem mit Perfluorbutan-Gas (C4F10) gefüllten Raum, womit ein weites Impulsspektrum von 1 bis 50 GeV/c vermessen werden kann. Die Tscherenkow-Strahlung wird über zwei Spiegelsysteme aus dem Strahlengang herausgeleitet und von einem System aus 196 Photodetektoren aufgenommen.[4]

Der RICH-2-Detektor befindet sich weiter hinten und dient der Messung von Teilchen mit höherem Impuls (Bis etwa 150 GeV/c). Auf diese Art kann über einen großen Energiebereich hinweg die Geschwindigkeit der Teilchen und damit auch ihre Masse vermessen werden, was für die Teilchenidentifikation wichtig ist.

Tracking-System[Bearbeiten]

Das Tracking-System besteht aus den Siliziumdetektoren des Tracker Turicensis vor dem Magneten und den Drahtkammern (Straw-Detektor) des Outer Tracker bzw. den Siliziumdetektoren des Inner Tracker hinter dem Magneten. Damit kann die Flugbahn der Teilchen ermittelt werden (tracking) - man kann die Spuren vor dem Magneten den Spuren hinter dem Magneten zuordnen und erhält über den Ablenkwinkel darin eine Messung des Teilchenimpulses. Auch die Daten des VELO werden zum Tracking genutzt.

Kalorimeter[Bearbeiten]

In den Kalorimetern werden die meisten Teilchen gestoppt und ihre Energie sowie ihre Flugrichtung erneut bestimmt. Wichtig ist das vor allem für ungeladene Teilchen, da diese in den anderen Detektorteilen nicht beobachtet werden können. Dabei werden zunächst Elektronen, Positronen und Photonen im elektromagnetischen Kalorimeter (ECAL) gestoppt, im nachfolgenden hadronischen Kalorimeter (HCAL) werden dann alle Hadronen detektiert.

Myon-System[Bearbeiten]

Den letzten Teil des Detektors bilden die Myon-Kammern: Diese sind speziell auf den Nachweis von Myonen ausgelegt, die bei einigen wichtigen Zerfällen im Detektor entstehen.

Trigger[Bearbeiten]

Der LHCb-Detektor verfügt über ein zweistufiges Trigger-System. In einem ersten Schritt werden hauptsächlich Treffer im Myon-System und Energiedepositionen im Kalorimeter zur Entscheidungsfindung herangezogen, da diese schnell auswertbar sind. Die erste Triggerstufe reduziert die Ereignisrate von 20 MHz auf 1 MHz. Mit dieser Rate werden danach die gesamten Detektordaten ausgelesen, und das jeweilige Ereignis wird auf einer Rechnerfarm weiter verarbeitet. Die Zahl der Ereignisse wird dann auf ca. 5000/s reduziert, die dann gespeichert werden und für die weitere Analyse zur Verfügung stehen.

Datennahme[Bearbeiten]

Im Jahr 2010/2011 wurden Daten bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV mit einer integrierten Luminosität von 1,145 fb-1 aufgezeichnet. Im Jahr 2012 betrug die integrierte Luminosität bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV bereits 2,082 fb-1[5]. Die instantane Luminosität wird seit 2011 wenn möglich durch geeignetes Versetzen der Strahlen konstant auf 4*1032cm-2s-1 gehalten und ist damit etwa doppelt so groß wie ursprünglich geplant. 2012 wurden die Ereignisse mit einer Rate von bis zu 5000/s statt der zunächst vorgesehen Rate von 2000/s gespeichert.

Resultate[Bearbeiten]

Bis September 2014 sind bereits 219 Veröffentlichungen zu Ergebnissen der LHCb-Kollaboration in referierten Journalen erschienen, die ein breites Spektrum an Analysethemen umfassen.[6]

Besondere Aufmerksamkeit erfuhr Ende 2012 die Suche nach dem seltenen Zerfall Bs→μ+μ-. Im November 2012 konnte die Kollaboration diesen Zerfall erstmals mit einer statistischen Signifikanz von 3,5σ nachweisen. Das gemessene Verzweigungsverhältnis von (3.2+1.5-1.2)10-9 stimmt bestens mit der Vorhersage des Standardmodells überein. Durch diese Messungen konnten zahlreiche Modelle „Neuer Physik“ eingeschränkt werden.[7] Das CMS-Experiment konnte diese Messung seitdem bestätigen.

Unerwartet war die Entdeckung von CP-Verletzung bei D-Mesonen, die deutlich größer als die theoretischen Vorhersagen ausfiel.[8] Die Interpretation war zunächst unklar, zumal eine statistische Fluktuation nicht ausgeschlossen werden kann. Darüber hinaus scheinen auch die Berechnungen noch Spielraum für eine etwas größere CP-Verletzung zu lassen.[9] Neuere Messungen mit einem größeren Datensatz sind mit den Theorievorhersagen vereinbar.[10][11]

LHCb Upgrade[Bearbeiten]

Die LHCb Kollaboration plant im für 2018 vorgesehenen zweiten langen Shutdown des LHCs ein Upgrade des Experiments. Ziel dieser Maßnahmen ist eine Datennahme bei einer höheren instantanen Luminosität von 2*1033/cm2/s mit dafür optimiertem Detektor und Trigger.[12] Eine Besonderheit des geplanten Triggers ist es, dass nun alle Kollisionsereignisse von der Rechnerfarm verarbeitet werden, wodurch z. B. Ereignisse mit hadronischen B-Zerfällen deutlich häufiger erkannt werden können.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Guy Wilkinson. Abgerufen am 31. Juli 2014 (englisch).
  2. C. Ilgner et al.:The Beam Conditions Monitor of the LHCb-Experiment, in arXiv:1001.2487
  3. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatThe Large Hadron Collider Beauty experiment / VELO. 15. Mai 2008, abgerufen am 20. März 2010 (englisch).
  4. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatThe Large Hadron Collider Beauty experiment / RICH detectors. 15. Mai 2008, abgerufen am 21. März 2010 (englisch).
  5. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatLHCb Operations Plots. Abgerufen am 2. Februar 2013 (englisch).
  6. LHCb: LHCb papers. Abgerufen am 20. September 2014.
  7. R. Aaij et al. (LHCb Kollaboration): First evidence for the decay Bs→μ+μ- (PDF-Datei; 458 kB), in Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 021801
  8. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatCP violation in charm decays. Abgerufen am 10. Februar 2013 (englisch).
  9. Th. Feldmann, S. Nanda, A. Soni: Repercussions of Flavour Symmetry Breaking on CP Violation in D-Meson Decays, in arXiv:1202.3795
  10. LHCb Kollaboration: Search for direct CP violation in D0→h−h+ modes using semileptonic B decays. 12. März 2013, abgerufen am 20. September 2014 (englisch).
  11. LHCb Kollaboration: A search for time-integrated CP violation in D0→K−K+ and D0→π−π+ decays. 1. März 2013, abgerufen am 20. September 2014 (englisch).
  12. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatFramework TDR for the LHCb Upgrade : Technical Design Report. Abgerufen am 3. Februar 2013 (englisch).