LHCb実験

北緯46°14′28″ 東経06°05′49″ / 北緯46.24111° 東経6.09694° / 46.24111; 6.09694

大型ハドロン衝突型加速器
(LHC)

LHC実験と前段階の加速器の計画。
LHC実験
アトラス	トロイダルLHC装置
コンテンツ管理システム	コンパクトミューオンソレノイド
LHCb	LHC-ビューティー
アリス	大型イオン衝突型加速器実験
トーテム	全断面積、弾性散乱および回折解離
LHCf	LHC フォワード
モエダル	LHC のモノポールおよびエキゾチック検出器
ファサー	前方検索実験
SND	散乱およびニュートリノ検出器
LHC前駆加速器
pとPb	陽子（Linac 4）および鉛（Linac 3）用の線形加速器
（マークなし）	陽子シンクロトロンブースター
追伸	陽子シンクロトロン
スペクトラム	スーパープロトンシンクロトロン

LHCb （大型ハドロン衝突型加速器）実験は、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器でデータを収集する素粒子物理学の検出器実験である。^[1] LHCbは、主にbハドロン（ボトムクォークを含む重い粒子）の相互作用におけるCP対称性の破れのパラメータを測定するために設計された、特殊なb物理実験である。このような研究は、宇宙の物質と反物質の非対称性を説明するのに役立つ可能性がある。この検出器は、生成断面積、エキゾチックハドロン分光法、チャーム物理、前方領域での電弱物理の測定も実行できる。実験からのデータを構築、操作、分析したLHCbの協力者は、22か国を代表する98の科学機関から約1650人で構成されています。 ^[2] Vincenzo Vagnoni ^[3]は、 2023年7月1日にChris Parkes（2020～2023年スポークスマン）の後任として共同研究のスポークスマンに就任した。^[4]実験は、ジュネーブの国境を越えたフランスのフェルネー＝ヴォルテールに近いLHCトンネルのポイント8で行われています。MoEDAL実験（小規模）も同じ洞窟を共有しています。

この実験には、重フレーバー（美しさと魅力の両方）、電弱および量子色力学（QCD）物理学の多くの重要な側面をカバーする幅広い物理プログラムがあります。B中間子に関連する6つの重要な測定が特定されています。これらは、2010年から2012年にかけて稼働した最初の高エネルギーLHCのコア物理プログラムを形成したロードマップ文書^[5]に記載されています。これには次のものが含まれます。

• _{稀なB s} → μ ⁺ μ ⁻崩壊の分岐比を測定します。
• フレーバーを変える中性電流B _d → K ^* μ ⁺ μ ⁻崩壊におけるミューオン対の前後非対称性の測定。このようなフレーバーを変える中性電流は、素粒子物理学の標準モデルのツリーレベルでは発生せず、ボックスおよびループのファインマン図を通じてのみ発生します。崩壊の特性は、新しい物理学によって大幅に変更される可能性があります。
• _{B s} → J/ψ φ崩壊におけるCP 非保存位相の測定。これは、 B _s振動を伴う崩壊と伴わない崩壊の干渉によって引き起こされます。この位相は、標準モデルにおける理論的不確実性が最も小さい CP 観測量の 1 つであり、新しい物理学によって大幅に変更される可能性があります。
• 放射 B 崩壊、つまり最終状態で光子を伴う B 中間子崩壊の特性を測定します。具体的には、これもフレーバーを変える中性カレント崩壊です。
• ユニタリ三角形の角度 γのツリーレベルの決定。
• チャームのない荷電二体 B 崩壊。

2 つの b ハドロンが主に同じ前方円錐で生成されるという事実は、LHCb 検出器のレイアウトで利用されています。LHCb 検出器は、水平方向に10 ～ 300ミリラジアン(mrad)、垂直方向に 250 mradの極角範囲を持つ単腕前方分光計です。水平面と垂直面の非対称性は、垂直方向に主磁場成分を持つ 大型双極子磁石によって決定されます。

頂点ロケータ（VELO）は陽子相互作用領域の周囲に構築されています。^{[6] [7]}これは、相互作用点に近い粒子の軌道を測定し、一次頂点と二次頂点を正確に分離するために使用されます。

検出器は、LHC ビームから 7 ミリメートル (0.28 インチ) 離れた場所で動作します。これは、膨大な粒子束を意味します。VELO は、約 3 年間、年間10 ¹⁴  p/cm ^{2を超える積分フルエンスに耐えられるように設計されています。検出器は}真空中で動作し、二相CO ₂システムを使用して約 -25 °C (-13 °F) に冷却されます。VELO 検出器のデータは、 Beetle ASICによって増幅され、読み出されます。

RICH-1検出器（リングイメージングチェレンコフ検出器）は、頂点検出器の直後に配置されています。低運動量トラックの粒子識別に使用されます。

メイン追跡システムは、双極子磁石の前後に配置されます。これは、荷電粒子の軌道を再構築し、その運動量を測定するために使用されます。追跡装置は、3 つのサブ検出器で構成されています。

• LHCb双極子磁石の前に設置されたシリコンストリップ検出器「トラッカー・トゥリセンシス」
• アウタートラッカー。検出器の外側を覆う双極子磁石の後に配置されたストローチューブベースの検出器。
• インナートラッカーは、検出器の受容部の内部を覆う双極子磁石の後に配置されたシリコンストリップベースの検出器である。

追跡システムの次に来るのは RICH-2 です。これにより、高運動量トラックの粒子タイプを識別できます。

電磁カロリメータとハドロンカロリメータは、電子、光子、ハドロンのエネルギーを測定します。これらの測定値は、トリガーレベルで大きな横方向運動量を持つ粒子（高 Pt 粒子）を識別するために使用されます。

ミューオン システムは、イベント内の ミューオンを識別してトリガーするために使用されます。

2018年末、LHCはアップグレードのために停止されましたが、2022年初頭に再開が予定されています。LHCb検出器については、ほぼすべてのサブ検出器が近代化または交換される予定です。^[8]近代化された頂点ロケーター、アップストリームトラッカー（UT）、シンチレーターファイバートラッカー（SciFi）で構成される完全に新しい追跡システムが導入されます。RICH検出器も、検出器の電子機器全体と同様に更新されます。しかし、最も重要な変更は、実験の完全なソフトウェアトリガーへの切り替えであり、これは、記録されたすべての衝突が、中間のハードウェアフィルタリングステップ（過去にボトルネックであることが判明した）なしで、高度なソフトウェアプログラムによって分析されることを意味します。^[9]

2011年の陽子-陽子実験では、LHCbは衝突エネルギー7TeVで積分光度1fb ^{−1を記録した。2012年には、8TeVのエネルギーで約2fb −1}が収集された。^[10] 2015～2018年（LHCのRun 2）には、質量中心エネルギー13TeVで約6fb ⁻¹が収集された。さらに、陽子-鉛、鉛-鉛、キセノン-キセノン衝突で小さなサンプルが収集された。LHCbの設計では、VELO容積内に注入されたガス（ヘリウムまたはネオン）と粒子ビームの衝突の研究も可能であり、固定ターゲット実験に似ている。このセットアップは通常「SMOG」と呼ばれている。^[11]これらのデータセットにより、共同研究チームは多くの追加測定を伴う精密な標準モデルテストの物理プログラムを実施することができる。 2021年現在、LHCbは500以上の科学論文を発表している。^[12]

LHCbはビューティハドロンとチャームハドロンを研究するために設計されています。謎のX(3872)などの既知の粒子の精密研究に加えて、この実験によって多くの新しいハドロンが発見されています。2021年現在、4つのLHC実験すべてで合計約60個の新しいハドロンが発見されており、その大部分はLHCbによるものです。^[13] 2015年には、ボトムラムダバリオン（Λ⁰
_ビット）は、LHCb実験でペンタクォークの存在を明らかにしたが、^{[14] [15]}これは「偶然の」発見と形容された。^[16]その他の注目すべき発見としては、2017年の「二重チャーム」重粒子の発見がある。これは2つの重いクォークを持つ最初の既知の重粒子である。また、2020年の完全にチャームされたテトラクォークの発見は、2つのチャームクォークと2つのチャーム反クォークから構成されている。 ${\displaystyle \Xi _{\rm {cc}}^{++}}$${\displaystyle \mathrm {T} _{\rm {cccc}}}$

B中間子の崩壊における電荷パリティ（CP）の破れの研究は、LHCb実験の主な設計目標です。2021年現在、LHCbの測定は、CKMユニタリティー三角形によって記述される図を驚くべき精度で確認しています。ユニタリティー三角形の角度は現在約4°であることがわかっており、間接的な決定と一致しています。^[20]${\displaystyle \gamma \,\,(\alpha _{3})}$

2019年、LHCbはチャーム中間子の崩壊におけるCP対称性の破れの発見を発表しました。^[21]これは、K中間子やB中間子以外の粒子の崩壊でCP対称性の破れが見られる初めてのケースです。観測されたCP非対称性の率は、既存の理論予測の上限にあり、標準モデルを超えた物理学への影響の可能性について素粒子理論家の間で関心が高まりました。^[22]

2020年、LHCbはBs中間子の崩壊における時間依存のCP対称性の破れを発見したと発表しました_。 [ ^23] _Bs中間子から反粒子へ の振動周波数とその逆の振動周波数は2021年に非常に正確に測定されました。

稀な崩壊は標準モデルでは厳しく抑制されている崩壊モードであり、そのため未知の物理メカニズムからの潜在的な影響に対して敏感です。

2014年、LHCbとCMSの実験は、非常にまれな崩壊の発見を発表した共同論文をネイチャー誌に発表しました。その崩壊率は標準モデルの予測に近いものでした。^[24]この測定により、崩壊率の大幅な増加を予測していた超対称性理論の可能なパラメータ空間が厳しく制限されました。それ以来、LHCbはこの崩壊モードでのより正確な測定結果を含むいくつかの論文を発表しました。 ${\displaystyle \mathrm {B} _{\rm {s}}^{0}\to \mu ^{+}\mu ^{-}}$

B中間子のいくつかのまれな崩壊で異常が発見された。いわゆる角度観測量における最も有名な例は崩壊で発見され、データと理論予測の偏差が何年も続いている。^[25]いくつかのまれな崩壊の崩壊率も理論予測と異なるが、後者はかなりの不確実性を伴う。 ${\displaystyle \mathrm {P} _{5}^{'}}$${\displaystyle \mathrm {B} ^{0}\to \mathrm {K} ^{*0}\mu ^{+}\mu ^{-}}$

標準モデルでは、荷電レプトン(電子、ミューオン、タウ レプトン) とゲージ ボソンの結合は同一であると予想され、唯一の違いはレプトンの質量から生じます。この仮説は「レプトン フレーバーの普遍性」と呼ばれます。その結果、b ハドロンの崩壊では、電子とミューオンは同様の速度で生成されるはずであり、レプトン質量による小さな違いは正確に計算可能です。

LHCbは、の崩壊率を、同様のプロセスにおけるの崩壊率と比較することで、この予測からの逸脱を発見しました。[ 26 ^{] [ 27] [28]}しかし、問題となっている崩壊は非常にまれであるため、決定的な結論を出すためには、より大規模なデータセットを分析する必要があります。 ${\displaystyle \mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mu ^{+}\mu ^{-}}$${\displaystyle \mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mathrm {e} ^{+}\mathrm {e} ^{-}}$

2021年3月、LHCbは、レプトン普遍性の異常が「3シグマ」統計的有意性閾値を超えたと発表しました。これはp値0.1％に相当します。^[29]の測定値（記号は特定の崩壊が起こる確率を表します）は、標準モデルでは1に非常に近いと予測されていますが、 であることがわかりました。^[30] 2022年12月、改善された測定によりこの異常は解消されました。^{[31] [32] [33]}${\displaystyle R_{\rm {K}}={\frac {{\mathcal {B}}(\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mu ^{+}\mu ^{-})}{{\mathcal {B}}(\mathrm {B} ^{+}\to \mathrm {K} ^{+}\mathrm {e} ^{+}\mathrm {e} ^{-})}}}$${\displaystyle {\mathcal {B}}}$${\displaystyle 0.846_{-0.041}^{+0.044}}$

2023年8月、LHCbによるレプトン崩壊とBelle IIによる半レプトン崩壊の共同探索（）により、普遍性違反の新たな限界が設定された。 ^{[31] [32] [34] [35]}${\displaystyle b\rightarrow s\ell ^{+}\ell ^{-}}$${\displaystyle b\rightarrow s\ell \nu }$${\displaystyle \ell =e,\mu }$

LHCbは量子色力学、電弱物理学の研究に貢献し、天体粒子物理学の断面積測定を提供した。^[36]

ウィキメディア・コモンズには、 LHCbに関連するメディアがあります。

• Bファクトリー
• Belle II実験

• ウィキメディア・コモンズの LHCb に関連するメディア
• LHCb パブリック ウェブページ
• LHCb セクション (US/LHC ウェブサイトより) 2020-08-14 にWayback Machineでアーカイブ
• A. アウグスト・アウベス・ジュニア他（LHCbコラボレーション）（2008）。 「LHCのLHCb検出器」。計測ジャーナル。3 (8):S08005。Bibcode :2008JInst...3S8005L。土井：10.1088/1748-0221/3/08/S08005。hdl : 10251/54510。S2CID  250673998。(完全な設計ドキュメント)
• INSPIRE-HEPにおける LHCb 実験記録