Детекторный комплекс LHCb

Александр Алоев

Детекторный комплекс LHCb

    Детекторный комплекс LHCb является составной частью крупнейшего ускорителя LHC.
    LHC - строящийся в настоящее время в Европейском центре ядерных исследований CERN (Centre Europeen de Recherche Nucleaire) усилиями физиков всего мира ускоритель, предназначен для ускорения протонов и тяжелых ионов. Целью проекта LHC прежде всего является открытие бозона Хиггса — последней экспериментально не найденной частицы Стандартной Модели (СМ) — и поиск физики вне рамок СМ. Также большое внимание планируется уделить исследованиям свойств W и Z-бозонов, ядерным взаимодействиям при сверхвысоких энергиях, процессам рождения и распадов тяжелых кварков (b и t).
    На коллайдере LHC предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·10¹² электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5.5 ТэВ на каждую пару сталкивающихся нуклонов.
    Большой адронный коллайдер строится в существующем туннеле, который прежде занимал Большой Электрон-позитронный коллайдер LEP (Large Electron-Positron Collider). Туннель с периметром 26.7 км проложен на глубине около ста метров на территории Франции и Швейцарии. Технический запуск коллайдера планируется весной 2007 года. Набор данных может начаться летом или осенью того же года. Если запуск ускорителя пойдет по плану, то первые результаты ожидаются в 2008 году.
    После пуска LHC будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, почти на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер Tevatron, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США) и Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).
Светимость LHC будет постепенно повышаться от начальной 5·10³² частиц/см²·с до номинальной 1.7·10³⁴ частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.
Планируется, что на LHC будут работать четыре детектора: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment) и ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Установки ATLAS и CMS предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики». Детектор LHCb оптимизирован под исследования физики b-кварков, а детектор ALICE для поиска кварк-глюонной плазмы или кварк-глюонной жидкости в столкновениях ионов свинца.
    Установка ATLAS запущена на полную мощность 9 ноября 2006 года.

Вещество и антивещество

    Существование антивещества для кого-то — лишь тема научно-фантастических романов, а для физиков — это серьезный вопрос, будоражащий их умы. Почему антивещества практически больше нет в нашем мире? В момент Большого взрыва вещество и антивещество возникли в равных количествах, однако сегодня мы, кажется, живем во Вселенной, состоящей целиком из вещества. Куда же делось антивещество?
    Когда встречаются вещество и антивещество, происходит их взаимоуничтожение — аннигиляция, не оставляя после себя ничего, кроме энергии. Поэтому кажется странным, что вообще еще что-то осталось. Возможно, в космосе существуют целые области, заполненные только антивеществом, и даже планируются эксперименты по его поиску.
    Большинство же ученых полагает, что существует некоторая, трудно уловимая разница в способах существования вещества и антивещества в природе, благодаря которой очень небольшая часть вещества осталась нетронутой, из нее и создана Вселенная, в которой мы обитаем. Если это так, то достаточно было всего одного, оставшегося нетронутым, протона на каждый миллиард исчезнувших в результате аннигиляции с антипротоном.
    В 1966 году академик А.Д. Сахаров выделил три необходимых условия для возникновения неоспоримого дисбаланса вещества и антивещества. Первое условие говорит о том, что протоны должны распадаться, но так медленно, что за всю историю Земли из всех протонов на ней должно было распасться по объему немногим более крошки. Второе условие является ограничением возможных способов охлаждения Вселенной после "Большого взрыва". Третье — определяет разницу между веществом и антивеществом. С тех пор одной из задач экспериментов было и остается измерить эту разницу. Цель эксперимента LHCb — найти ответ на этот вопрос.
    Детектор LHCb — специализированный прибор, сконструированный с единственной, уже описанной, целью. Поэтому он менее сложен, чем большие детекторы проекта БАК, такие как ATLAS и CMS, предназначенные для решения глобальных задач. Это позволяет сконцентрировать усилия разработчиков на создании наиболее совершенного детектора для так называемой физики В-мезонов, при распаде которых наиболее ярко проявляется асимметрия между веществом и антивеществом. В сооружении этого детектора принимают участие 565 физиков из 47 институтов 15 стран.
    Возьмем мысленно частицу и заместим ее античастицей, посмотрим в зеркало и поменяем направление времени. Подвергнув этим манипуляциям любые взаимодействия частиц, мы должны получить результат, неотличимый от оригинала. Основанная на этом факте теория, называется СРТ-симметрией, где буквы С, Р и Т обозначают симметрии взаимодействий частиц: С — зарядовое сопряжение — осуществляет замещение частицы ее двойником, античастицей. Р — четность, или пространственная инверсия, соответствует зеркальному отображению, в котором перевернуты все три координаты; это, как если бы отражение в зеркале не только было повернуто задом наперед, но также меняло местами лево и право, верх и низ, соответственно. Последняя характеристика Т — обращение времени.
    Сначала физики полагали, что при проведении симметричного преобразования любого взаимодействия между частицами результат будет неизменен, симметрия сохраняется. Однако экспериментальные исследования показали, что при слабых взаимодействиях происходит нарушение как Р-, так и С- симметрии.
    Немного позже выяснилось, что и сочетание С- и Р-симметрий не сохраняется. Это нарушение СР-инвариантности впервые было обнаружено при распаде частиц, названных нейтральными каонами в БНЛ. Это было подтверждением третьего условия Сахарова, который определил, что нарушение СР-инвариантности необходимо для возникновения дисбаланса вещества и антивещества.
Измерить нарушение СР-инвариантности не так просто. Вернемся к аналогии с зеркалом. Представьте, что вы тысячу раз машете себе в зеркало рукой и только один раз ловите, что ваше отображение отвечает вам другой рукой, — это можно сравнить, при некотором воображении, с нарушением СР-инвариантности.
    Стандартная модель может быть расширена за счет включения понятия СР-инвариантности, но она не объясняет этого явления. Существует даже предположение, что знание степени нарушения СР-инвариантности, согласованное с теорией Стандартной модели, недостаточно для расчетов дисбаланса вещество-антивещество. На эксперимент LHCb возложено немало надежд. Он позволил бы не только объяснить, почему после "Большого взрыва" осталось достаточно вещества, чтобы наша Вселенная могла возникнуть, но и открыть новое направление в физике.
    Изучение нарушения СР-инвариантности при распаде В-мезонов проводится в экспериментальных лабораториях Германии, США и Японии. Эксперимент LHCb будут проводить несколько позже, но именно здесь физика В-мезонов достигнет своего апогея. Экстремально высокая энергия ускорителя БАК позволит эксперименту LHCb измерить гораздо больше распадов В-мезонов с нарушением СР-инвариантности, чем предыдущие эксперименты. Тем самым Стандартная модель пройдет доскональную проверку, и появится объяснение того, почему природа предпочла вещество в этом грандиозном споре.

Конструкция LHCb

Рис. 1. Детекторный комплекс LHCb

    Тот факт, что В-адроны образуются главным образом в том же переднем конусе, что и В-мезоны, используется в конструкции LHCb детектора. LHCb является одноплечевым спектрометром с зона действия от 10 мрад до 300 мрад в горизонтальной и до 250 мрад в вертикальной плоскости. Ассиметрия между горизонтальной и вертикальной плоскостями обусловлена конфигурацией большого дипольного магнита.
    Вершинный детектор (известеый как VELO) построен вокруг зоны протонных взаимодействий. Он используется для измерений траекторий частиц, близких к точке взаимодействий для того, чтобы точно изолировать главные и вторичные вершины, например для В-тегирования.
    Следом за VELO расположен детектор RICH-1 (черенковский детектор кругового действия). Он используется для идентификации частиц от низкоимпульсных треков.
    Главная трековая система расположена с обеих сторон дипольного магнита. Она используется для реконструкции траекторий заряженных частиц и для измерения их импульсов.
    За трековой системой находится RICH-2. он позволяет идентифицировать типы частиц от высокоимпульсных треков
    Электромагнитные и адронные калориметрические детекторы обеспечивают измерение энергий электронов, фотонов и адронов. Эти измерения используются на триггерном уровне для идентификации частиц с большим поперечным импульсом.

Вершинный детектор VELO (Vertex Locator)

VELO (рис. 2) состоит из 21 кремниевого блока, измеряющего траектории частиц в цилиндрических координатах с осью z направленной вдоль оси пучка. Датчики помещены внутрь вакуумного сосуда и отделены от LHC и свч-полей 250-мкм гофрированной аллюминиевой фольгой. Чувствительная зона кремниевых датчиков начинается в 8 миллиметрах от оси пучка. Во время инжекции детекторы отводятся на 30 мм от пучка. С VELO данные поступают на триггеры второго уровня L1.

Рис. 2. Вершинный детектор VELO

Рис. 3. Сборка магнита

Магнит LHCb весит 1600 тонн и обеспечивает величину магнитного поля в 4 T. Чтобы снизить потребление мощности около 4.2 МВт, форма поверхностей полюсов повторяет углы приема в эксперименте. На рис. 3 изображена сборка катушки, сделанной из 15 отдельных однослойных «блинов». Каждый блин намотан из штампованного аллюминиевого проводника сечением 50 x 50 мм², длинной 290 м и внутренним каналом диаметром 24 мм для водяного охлаждения.

Трековая система (Tracking System)

Трековая система долна выполнять следующие задачи: регистрировать треки частиц между VELO и калориметрами и измерять их импульсы, точно определять направления треков в обоих RICH-детекторах, связывать измерения в VELO, калориметрах и мюонной системе. Трековая система состоит из внутреннего (вокруг пучка) и внешнего трекеров. Треки воспроизводятся с разрешением по импульсу Δp/p = 0.3% -0.5% для импульсов между 5 ГэВ и 200 ГэВ. Массовое разрешение составляет 15 MeV для B → ππ событий.

Черенковские детекторы (RICH detectors)

Два RICH-детектора обеспечивают идентификацию частиц в интервале энергий от 1 до 100 ГэВ. Для этого необходимы три радиатора с различными коэффициентеми преломления. Для треков с низкими энергиями подходит кремниевый аерогель, для средних - газообразный C₄F₁₀, для высоких – газообразный CF₄. Все это гарантирует прекрасное В-теггирование для каонов и эффективное подавление фона В-распада. Детектирование фотонов в обоих RICH осуществляется новым 1024-пиксельным гибридным фотонным детектором.

Калориметры

Три суб-детектора системы калориметрических детекторов (Preshower, Electromagnetic and
Hadronic Calorimeter) передают информацию на первый триггерный уровень(L0) не более, чем за 25 ns. Разрешения по энергиям для ECAL и HCAL составляют 10% /√E(GeV) + 1.5% и 80% /√E(GeV) + 10% соответственно. Кроме этого, калориметрические кластеры ипользуются для идентификации электронов и треков от незаряженных частиц ( g, π⁰, K⁰, n).

Мюонная система

Так как мюоны присутствуют на финальных стадиях многих СP-чувствительных B-распадах, детектирование мюонов является фундаментальным требованием в эксперименте LHCb. Мюонная система состоит их 5 блоков MWPC.

Рис. 4. Система регистрации и отбора событий

Система регистрации и отбора событий

Триггерный уровень Level-0 имеет входную частоту 40 MГц, выходную частоту 1 MГц и выполнен на основе обычных электронных приборов. Level-1 использует VELO и трековую систему для отбора вторичных треков, характерных для В-кварковых событий. Он имеет выходную частоту ~40 MГц. Триггеры высокого уроня (HLT) понижают количество событий без В-кварков и воспроизводят отдельные В-адронные распады используя всю информацию с детекторов. Система сбора данных отправляет информацию о треках с L0 в мощный процессорный блок, где также исполняются L1 и HLT, а затем сохраняет их (с частотой примерно 200 Гц)