Eksperyment LHCb
Plan Motywacja fizyczna Program badań Akcelerator LHC Detektor LHCb Opis wybranych systemów
Łamanie symetrii CP Parzystość CP jednoczesne wykonanie operacji sprzężenia ładunkowego C i inwersji przestrzennej P, tzn. operacji q q oraz r r. CP przeprowadza cząstkę w jej antycząstkę o przeciwnym pędzie i skrętności niezachowanie parzystości P (1956) oraz parzystości C (1957) w oddziaływaniach słabych Łamanie parzystości kombinowanej CP łamanie symetrii CP w rozpadach długożyciowych mezonów K 0 (1964) Asymetria materia-antymateria wszystkie obserwacje wskazują, że obecny wszechświat składa się głównie z materii materia hipoteza Sacharowa (1967) - jednym z 3 warunków powstania asymetrii materia-antymateria jest łamanie CP antymateria Badanie Badanie łamania łamania CP CP od od 40 40 lat lat (zjawiska (zjawiska subtelne) subtelne) LHCb: LHCb: duże duże próbki próbki danych, danych, rozszerzenie rozszerzenie obszaru obszaru badań badań
Łamanie CP w Modelu Standardowym (MS) Macierz Cabibbo-Kobayashi-Maskawy (CKM) macierz CKM opisuje przejścia pomiędzy trzema rodzinami kwarków poprzez wymianę bozonów pośredniczących d' s' b' V = V V ud cd td V V V us cs ts V V V ub cb tb d s b = Vˆ CKM d s b Macierz Macierz CKM CKM - - unitarna unitarna 3x3 3x3-3 -3 kąty kąty rzeczywiste rzeczywiste + 1 1 faza faza - - faza faza (zespolona) (zespolona) - - jedyne jedyne źródło źródło łamania łamania CP CP w Modelu Modelu Standardowym Standardowym w MS elementy macierzy CKM są parametrami trzeba je wyznaczyć doświadczalnie 3 rodziny kwarków nieredukowalna faza łamanie CP Trójkąty unitarności unitarność macierzy CKM trójkąty unitarności interpretacja geometryczna np. kol(1) * kol(3): * * * Vud Vub + Vcd Vcb + Vtd Vtb = 0
Wybrane zagadnienia programu badawczego LHCb Precyzyjny pomiar parametrów mieszania B 0 s -B0 s : m, Γ s B s D s π, s D s π, B s s ( ) s J/ψφ, B s J/ψη ( ) Precyzyjny pomiar kąta γ (z uwzględnieniem procesów z diagramami drzewiastymi oraz diagramami pingwinowymi przyczynki od nowej fizyki - odstępstwa od MS) Pomiary kątów mieszania w różnych kanałach w celu ograniczenia błędów na parametry macierzy CKM B s D s K, 0 0, s D s K, B 0 DK* 0, B 0 0 ππ ππ + B s s KK, B 0 0 φk s, s... s, B s φφ,... B 0 0 ρπ, B 0 0 ρρ, Rzadkie rozpady mezonów B 0 oraz B s ze stosunkami 0 K * + -, rozgałęzień rzędu 10-8 B 0 K * µ + µ -, B s µ + -,... s µ + µ -,... Poszukiwanie efektów nowej fizyki w rzadkich ekskluzywnych i inkluzywnych rozpadach B Fizyka mezonów D Fizyka mezonów B c, barionów z kwarkiem b, B 0 0 K*γ, B 0 0 K* K* 0 0 l + l + l - l, -, b sl + + l - l, -, B s µ +... s µ + µ... CP, mieszanie D-D CP, mieszanie D-D
Przewidywania LHCb BABAR, BELLE, CDF, D0 (2006) fabryki B +Tevatron β = 21.7 o α = 100 o γ = 63 2006 o + 1.3 1.2 + 15 9 + 35 25 LHCb / rok + + + 0.5 10 5 o o o LHCb / rok Zasadnicza poprawa dokładności pomiaru parametrów macierzy CKM CKM
Oscylacje mezonów B s W Modelu Standardowym oscylacje B S wynikają z diagramów typu: B b u,c,t W + 0 0 s s s V ts W - V ts słabe przejścia drugiego rzędu u,c,t BRAK BRAK ODDZIAŁYWAŃ ODDZIAŁYWAŃ SŁABYCH SŁABYCH dwa dwa stabilne stabilne mezony mezony B s i s s i B s ODDZIAŁYWANIA ODDZIAŁYWANIA SŁABE SŁABE niezachowanie niezachowanie dziwności dziwności stany stany własne własne masy masy o nieokreślonej nieokreślonej dziwności dziwności (nie (nie są są to to stany stany własne własne CP) CP) mieszanie mieszanie B s -B s (B H, L ) s -B s (B H, B L ) s b B Liczba przypadków Symulacja dla m s = 20 ps -1 LHCb / rok Rekonstrukcja idealna Rekonstrukcja uwzględniająca: - niepewność znakowania B - rozdzielczość w czasie -tło, - akceptancję oscylacje oscylacje mezonów mezonów B s s B s s s s B s B s τ [ps] Parametryzacja m = m m, Γ s H L = Γ H Γ L, x s = m s τ CDF (2006) m s = ( 17.77 ± 0.10 ± 0.07) ps 1 LHCb / rok -1 0.01ps
Nowa fizyka w LHCb Wgląd w fizykę poza Modelem Standardowym Wgląd w fizykę poza Modelem Standardowym Dwa różne pomiary tych samych parametrów macierzy CKM (np. pomiar kąta γ) pomiary parametrów macierzy CKM niezależnie od nowej fizyki procesy procesy opisywane opisywane przez przez diagramy diagramy drzewiaste, drzewiaste, np. np. pomiary zależne od nowej fizyki procesy procesy opisywane opisywane dodatkowo dodatkowo przez przez diagramy diagramy typu typu pingwin, pingwin, np. np. Niezgodność NOWA FIZYKA Badanie rzadkich rozpadów mezonów pięknych niezgodności obserwowanych częstości rozpadów z przewidywaniami MS (np. B 0 K *0 l + l - )
Akcelerator LHC LHC LHC (Large (LargeHadron HadronCollider) zlokalizowany zlokalizowany w dawnym dawnym tunelu tunelu LEP-u LEP-u (LHCb (LHCb w miejscu miejscu eksperymentu eksperymentu DELPHI) DELPHI) przyspiesza przyspiesza dwie dwie przeciwbieżne przeciwbieżne wiązki wiązki protonów; protonów; zderzenia zderzenia przy przy s s = 14 14 TeV TeV przekrój przekrój czynny czynny σ σ bb 500 µb bb = 500 µb przekrój przekrój czynny czynny σ σ hadr 80 mb hadr = 80 mb przecięcie przecięcie wiązek wiązek co co 25 25 ns ns (40MHz) (40MHz) nominalna nominalna świetlność: świetlność: 10 10 34 34 cm cm -2-2 s s -1-1 punkt punkt pracy pracy LHCb: LHCb: 2 2 10 10 32 32 cm cm -2-2 s s -1-1 wybieramy wybieramy przypadki przypadki z z pojedynczym pojedynczym oddziaływaniem oddziaływaniem p-p p-p w zderzeniu zderzeniu wiązek wiązek Skorelowana produkcja par bb produkcja cząstek pięknych zachodzi pod małymi kątami względem osi wiązki para mezonów BB razem do przodu lub do tyłu geometria LHCb CMS b b 10 12 bb / rok 10 12 bb / rok LHC tunnel LHCb Mont Blanc Geneva airport ATLAS CERN ALICE
Akcelerator Akcelerator gotowy pod koniec 2007
Wymagane własności detektora LHCb Dobra rozdzielczość rekonstrukcji wierzchołków -wyznaczenie współrzędnych punktu rozpadu -redukcja tła przykład produkcji B przykład produkcji B Sygnał B Znakowanie B Dobra rozdzielczość rekostrukcji śladów - wyznaczenie torów i pomiar pędów cząstek Identyfikacja cząstek w szerokim zakresie pędów (2-100 GeV/c) -redukcja tła gdy separacja kinematyczna niewystarczająca Szybki i efektywny układ wyzwalania - selekcja interesujących przypadków z dużego tła Szybki system akwizycji danych
Współpraca LHCb Detektor eksperymentu LHCb jest budowany przez zespół ponad 600 osób z 14 krajów i około 50 laboratoriów Udział Polski: IFJ PAN, AGH, IPJ (ponad 30 osób) Brazylia Chiny Ukraina Wlk. Brytania Francja Szwajcaria Niemcy Hiszpania Polska Holandia Włochy Rumunia Rosja
Spektrometr LHCb Detektor Detektor wierzchołka wierzchołka wierzchołki wierzchołki oddziaływań oddziaływań Magnes Magnes Detektory Detektory śladowe śladowe pęd pęd cząstek cząstek naładowanych naładowanych Kalorymetry Kalorymetry PID: PID: e, e, γ, γ, π 0 0,, hadrony hadrony Akceptancja 10-300 mrad Pile-up Veto Pile-up Veto Detektor Detektor śladowy śladowy układu układu wyzwalania wyzwalania pęd pęd cząstek cząstek dla dla układu układu wyzwalania wyzwalania Detektory Detektory Czerenkowa Czerenkowa PID: PID: separacja separacja K / / π Detektory mionów Detektory mionów
Sensory VELO Geometria VELO zoptymalizowana aby zapewnić rekonstrukcję on-line Geometria VELO zoptymalizowana aby zapewnić rekonstrukcję on-line sensory - 2 płaszczyzny w formie półkoli technologia n + -n promień 42 mm 2048 pasków / sensor 220 tys. kanałów odczytu Producent: Micron Semiconductor (UK) Pomiar w płaszczyźnie φ Pomiar w płaszczyźnie φ Pomiar Pomiar w płaszczyźnie płaszczyźnie R (segmenty (segmenty o o szerokości szerokości 45 ) 45 ) 42 mm 8 mm
VELO - produkcja modułów Ukończenie produkcji, testów i instalacji modułów: koniec 2007
Detektory śladowe (TT, IT, OT) gęstość prod. cząstek: gęstość 3 10 6 prod. cm -2 cząstek: s 3 10 6 cm -2 s -1-1 3 stacje po 4 warstwy 3 stacje po 4 warstwy każda każda liczba kanałów odczytu: liczba kanałów odczytu: 220 tys. 220 tys. dokładność pomiaru dokładność pomiaru punktu na torze: 65 µm punktu na torze: 65 µm Inner Tracker 3 stacje 6 x 5 m 3 stacje 6 x 5 m 2 2 4 x 2 warstwy 4 x 2 warstwy (8 warst słomek) (8 warst słomek) średnica słomek: średnica słomek: 5 mm 5 mm liczba kanałów liczba kanałów odczytu: 50 tys. odczytu: 50 tys. dokładność pomiaru punktu na to- dokładność pomiaru punktu na torze: 200 rze: 200 µm µm Outer Tracker Udział Krakowa Udział Krakowa Trigger Tracker 1.4 x 1.2 m 1.4 x 1.2 m 2 2 2 x 2 warstwy 2 x 2 warstwy liczba kanałów odczytu: 144 tys. liczba kanałów odczytu: 144 tys. dokładność pomiaru punktu na torze: dokładność pomiaru punktu na torze: 60 µm 60 µm
Detektor zewnętrzny OT - udział grupy krakowskiej Konstrukcja detektora zewnętrznego OT opracowanie ultralekkiej technologii konstrukcji paneli (rohacel + kompozyt na bazie tkaniny węglowej) badania technologiczne, budowa prototypu, technologia produkcji masowej produkcja 1000 m 2 paneli projekt mechanicznej konstrukcji nośnej udział w projektowaniu elektroniki odczytu oprogramowanie detektorowe
Detektor zewnętrzny OT Ukończono instalację struktury nośnej oraz paneli Rozpoczęto instalację modułów detektora (produkcja ukończona w 2006)
OT - produkcja modułów Ukończono produkcję modułów, zainstalowano ok. 1/4
Detektory Czerenkowa identyfikacja identyfikacja cząstek cząstek (π, (π, K, K, p) p) w w zakresie zakresie pędów pędów 2 2 - - 100 100 GeV/c GeV/c dwa dwa detektory detektory Czerenkowa Czerenkowa RICH1 RICH1 i i RICH2 RICH2 prędkości prędkości cząstek cząstek bliskie bliskie prędkości prędkości granicznej granicznej w w ośrodku ośrodku promienie promienie Czerenkowa Czerenkowa zbliżają zbliżają się się do do wartości wartości granicznej granicznej identifikacja identifikacja niemożliwa niemożliwa RICH 1 RICH1 RICH1 aerożel aerożel (pianka (pianka krzemiankowa) krzemiankowa) + + C C 4 F 10 4 F 10 n(aerożelu) n(aerożelu) = = 1.03 1.03 2 2 - - 10 10 GeV GeV - - najwolniejsze najwolniejsze cząstki cząstki n(c n(c 4 F 10 ) = 1.0014 4 F 10 ) = 1.0014 10 - - 60 60 GeV GeV RICH2 RICH2 czterofluorek czterofluorek węgla węgla CF CF 4 4 n(cf n(cf 4 ) = 1.0005 16-100 GeV 4 ) = 1.0005 16-100 GeV RICH 2 Typowy przypadek w detektorze RICH1 0 y (cm) 20 40 60-60 -40-20 0 20 40 60 x (cm) Detektory Detektory fotonów fotonów Czerenkowa Czerenkowa fotodiody fotodiody hybrydowe, hybrydowe, 168 168 (RICH1), (RICH1), 262 262 (RICH2) (RICH2) ogniskowanie ogniskowanie fotoelektronów fotoelektronów 1024 1024 piksele piksele - - diody diody krzemowe krzemowe
RICH - eliminacja tła Wyniki symulacji rozpadów B pokazujące konieczność identyfikacji mezonów π i K Bez detektorów RICH B s D s K Z detektorami RICH Bez detektorów RICH Z detektorami RICH B s KK
RICH1 Ukończony prototyp luster z włókien węglowych (produkcja wkrótce) Zainstalowana osłona magnetyczna
RICH2 Przetransportowany pod ziemię pod koniec 2005 Dokładność wykonania luster sferycznych: 50 µm
Kalorymetry
Stan obecny detektora LHCb Rozpoczęcie zbierania danych: listopad 2007 Komory Komory mionowe mionowe ECAL ECAL HCAL HCAL OT RICH2 OT RICH2 IT IT RICH1 RICH1 Magnes Magnes VELO VELO
Układ wyzwalania (tryger) częstotliwość częstotliwość zderzeń zderzeń = 40 40 MHZ MHZ odczyt: odczyt: 25 25 ns ns częstość częstość zderzeń zderzeń z z co co najmniej najmniej 1 1 oddziaływaniem oddziaływaniem p-p p-p = 12 12 MHz MHz z z tego tego przypadki przypadki z z B: B: 100 100 KHz KHz częstość częstość produkcji produkcji przypadków przypadków z z B B bardzo bardzo duża duża selekcja selekcja układ układ wyzwalania wyzwalania Switch FORCE 10 Switch FORCE 10 Dedykowana elektronika odczytu Dedykowana elektronika odczytu L0 L0 Farma 1800 CPU Farma 1800 CPU HLT HLT
Stopnie trygera: L0, HLT duży duży przekrój przekrój czynny czynny na na zderzenia zderzenia nieelasyczne nieelasyczne proton-proton proton-proton redukcja redukcja tła tła od od kwarków kwarków lekkich lekkich redukcja redukcja tła tła od od produkcji produkcji bb bb pomiar pomiar łamania łamania CP CP wymaga wymaga redukcji redukcji danych danych o o 6 6 rzędów rzędów wielkości wielkości L0 L0 (sprzętowy) (sprzętowy) -duże -duże p T :,e, γ, T : µ,e, γ, h --Pile-up Pile-upVeto --synchroniczny synchroniczny z z LHC LHC HLT HLT (programowalny) (programowalny) --dostęp dostęp do do pełnej pełnej informacji informacji z z detektora detektora -wyższy -wyższy stopień stopieńwyzwalania (10 (10 ms) ms) --łatwość łatwośćmodyfikacji (różne (różne strategie) strategie) 40 MHz wszystkie oddziaływania L0 L0 1 MHz pełny odczyt detektora HLT HLT 200 Hz zapis na dyski
Computing at CERN today High-throughput computing based on reliable commodity technology More than 1500 dual processor PCs More than 3 Petabyte of data on disk (10%) and tapes (90%) Nowhere near enough!
Computing at CERN today CPU servers The new computer room is being populated Disk servers Tape silos and servers
Fast ethernet switch Rack (1U dual-processor MB) NAS 1TB Ethernet controlled power distributor
CYFRONET s RC All 120 CPUs split into 4 clusters LCG/EGEE - 32 CPUs (Xeon 2.4-2.6) EGEE pre-production - 10 CPUs (Xeon 2.4-2.6) CrossGrid - 24 CPUs (PIII, Xeon 2.4) EGEE IA64-40 Itanium 1.3 CPU SCSI Disk Array 2.1 TB for LCG/EGEE 1.2 TB for CrossGrid 1 Gb uplink to GEANT network 2nd EGEE Conference, SA1 CE Meeting, 25.11.2004-32
Podsumowanie LHCb jest detektorem dedykowanym precyzyjnemu badaniu zjawisk łamania symetrii CP Montaż detektora w końcowej fazie Uruchomienie planowane na listopad 2007 Istotny wkład grupy krakowskiej zarówno w budowę detektora, jak i rozwój oprogramowania służącego do rekonstrukcji oraz analizy danych
LHCb i fabryki B Eksperyment rodzaj zderzeń energia zderzenia 14 TeV _ przekrój czynny σ bb 500 µb przekrój czynny σ hadr. 80 mb sygnał / tło _ liczba bb / rok dostępne cząstki piekne LHCb proton-proton 1:160 10 12 B u B d B s B c, bariony piękne Fabryki B elektron-pozyton 10 GeV 1 nb 5 nb 1:5 10 7 B u B d LHCb LHCb Fabryki B duży przekrój czynny na produkcję bb, ale znaczne tło od zderzeń nieelastycznych zderzenia hadronowe, dostępne mezony piękne o wyższych masach i wszystkie bariony piękne bezpośrednia rejestracja pierwotnych i wtórnych wierzchołków rozpadu B duża czystość danych, zderzenia e + e - w rezonansie Y(4S), niewielkie tło od kontinuum zderzenia elektron-pozyton, dostępne tylko mezony B u i B d krótka droga lotu mezonów B do momentu rozpadu różne warunki eksperymentalne niezależne pomiary
B d 0 π + π B d 0 ρ π α B S 0 D S π V ud V* ub V td V * tb B d 0 DK *0 B S 0 D S K B d 0 D* π,3π γ V cd V* cb β B d 0 J/ψ K S 0
A mix N = N bez_mieszania bez_mieszania (t) N (t) + N mieszanie mieszanie (t) (t) = cos( mst) cosh(( Γ /t)/2) S