Рис. 1. Логотип LHCb выражает главную задачу эксперимента — изучение эффектов CP-нарушения LHCb — крупный детектор, оптимизированный для изучения B-мезонов, то есть частиц, содержащих b-кварк (так называемый «прелестный» кварк). Именно на это указывает буква «b» в названии эксперимента, которое полностью расшифровывается как «Large Hadron Collider beauty experiment».
Самое интересное в изучении B-мезонов — то, что в них сильнее всего проявляется очень важное, но до сих пор плохо изученное явление — нарушение CP-симметрии (именно за него дали половину Нобелевской премии по физике в 2008 году). Это явление приводит к тому, что картина распадов частиц и античастиц слегка различается. Это, в свою очередь, имеет прямое отношение к происхождению нашего мира, к ответу на вопрос «как так получилось, что вещество в нашей Вселенной стало доминировать над антивеществом?».
Интересно, что всё это лаконично поместилось на логотип детектора: здесь есть и само название, и его симметричное отражение, но оно слегка нарушено красной чертой, которая как бы перечеркивает буквы «CP», намекая на его несохранение.
Устройство детектора
В отличие от крупнейших детекторов ATLAS и CMS, которые со всех сторон окружают место столкновения протонов (то есть обладают высокой «герметичностью»), детектор LHCb имеет вид конуса, на острие которого происходят столкновения встречных пучков. Он может отслеживать лишь те частицы, которые вылетают под небольшим углом (не более 15 градусов) к оси пучка. В остальном детектор не уступает своим «старшим» собратьям: его длина составляет 21 метр, а масса — 5600 тонн.
Детектор LHCb многослойный, и последовательность слоев у него в целом стандартная. Однако из-за того, что перед ним поставлена вполне конкретная задача (изучение B-мезонов), отдельные компоненты детектора оптимизированы для ее решения.
Рис. 2. Общий вид детектора LHCb. Изображение из статьи Journal of Instrumentation, 3 S08005 (2008) Общий вид детектора показан на рис. 2. Горизонтально через весь детектор проходит вакуумная труба. Столкновения протонов происходят в самой левой части рисунка. Частицы, вылетевшие направо под небольшим углом, проходят последовательно через вершинный детектор VELO, первый черенковский счетчик RICH-1, отклоняются в магнитном поле большого магнита, проходят через последовательность трековых детекторов, затем через второй черенковский счетчик RICH-2. За ним стоят электромагнитный и адронный калориметры, и, наконец, последним слоем идут мюонные камеры.
Рис. 3. Несколько пластин вершинного детектора VELO вместе с front-end электроникой. Фото с сайта lhcb-public.web.cern.ch Ближе всего к месту столкновения протонов расположен вершинный детектор, называемый VELO (от англ. «VErtex LOcator»). Он имеет совершенно особый дизайн, напоминающий нечто среднее между обычными вершинными детекторами, как на детекторе ATLAS и CMS, и детекторами Roman Pots. Он состоит из нескольких слоев полупроводниковых пиксельных детекторов, изготовленных в форме полукруга и установленных на двух подвижных кронштейнах. Сами кронштейны расположены не снаружи вакуумной трубы, а внутри нее; пиксельные детекторы при этом ставятся не параллельно, а перпендикулярно пучку. Когда пучок нестабильный, кронштейны раздвинуты, чтобы пучок не прожег детекторы насквозь, а когда пучок стабилизирован, они придвигаются к оси пучка на расстояние 5 мм. Благодаря такой близости к месту столкновения протонов детектор может восстановить положение вершины с точностью 10 микрон.
За вершинным детектором следует специальный детектор, предназначенный для идентификации частиц. Хорошая идентификация частиц чрезвычайно важна для эксперимента LHCb, поскольку позволяет надежно восстанавливать сложные цепочки распада B-мезонов.
Идентификация частиц в детекторе LHCb осуществляется двумя черенковскими детекторами RICH (от англ. «Ring Imaging CHerenkov Detector»), один из которых стоит сразу после VELO, а второй чуть дальше, после магнита и трекового детектора. В детекторе RICH заряженная частица летит сквозь камеру, заполненную прозрачным веществом, и порождает вспышку света в направлении, которое зависит от скорости частицы. Этот свет отражается с помощью системы зеркал и попадает на матрицу чувствительных элементов; по положению световой вспышки на этой матрице можно вычислить скорость частицы.
Черенковский детектор, более близкий к вершине, заполнен газом C4F10 и кварцевым аэрогелем — твердым, но чрезвычайно легким (всего в пару раз тяжелее воздуха!) веществом, который называют часто «твердым дымом». Имея коэффициент преломления в районе 1,01–1,10, аэрогель позволяет хорошо измерять скорости в диапазоне 0,95–0,99 от скорости света, то есть хорошо идентифицировать частицы с небольшой энергией, порядка нескольких ГэВ. Газы имеют коэффициент преломления порядка 1,001, что удобно для измерения скорости частиц средних энергий и высоких энергий, от нескольких десятков до сотен ГэВ.
Рис. 4. Установка одной из половинок магнита детектора LHCb. Фото с сайта lhcb-public.web.cern.ch Между двумя черенковскими детекторами расположен массивный 1600-тонный изогнутый магнит, создающий магнитное поле порядка 1 тесла. Причудливая форма магнита, напоминающая две раскрытые челюсти, выбрана для того, чтобы магнитное поле было как можно более однородным. Траектории заряженных частиц искривляются в этом поле, их радиус кривизны можно измерить с помощью трековых детекторов, которые стоят непосредственно за магнитом, и отсюда вычислить импульс частицы. Для частиц с энергией вплоть до 200 ГэВ погрешность в измерении импульса не будет превышать 0,4%.
Следующими, как обычно, стоят калориметры, измеряющие энергию частиц. Калориметрическая система детектора LHCb состоит из четырех слоев. Вначале частица проходит через сцинтилляционную пластинку и пластину предливневого детектора. Эти две тонкие пластинки позволяют разобраться с тем, что за частица (электрон, одиночный фотон или два близких фотона, получившихся из распада нейтрального пи-мезона) попала в калориметр. Делать это необходимо до того, как эта частица породит электромагнитный ливень, который будет выглядеть одинаково для всех трех вариантов. Затем расположены сами калориметры, электромагнитный и адронный, составленные из чередующихся плиток поглотителя (свинец или железо) и сцинтиллятора. На задней части калориметров смонтированы фотоумножители, собирающие сцинтилляционный свет, на основе которого вычисляется энергия частицы. Из-за своих внушительных поперечных размеров, около 7 метров, калориметры сзади выглядят буквально как стена электроники (см. рис. 5).
Рис. 5. Задняя часть адронного калориметра выглядит настоящей стеной электроники. Фото с сайта lhcb-public.web.cern.ch Наконец, самыми последними стоят мюонные камеры. Быстрое детектирование мюонов и аккуратное измерение их параметров — важнейший элемент детектора LHCb, поскольку мюоны рождаются во многих распадах B-мезонов, чувствительных к CP-нарушению. Мюонная система детектора состоит из почти полутора тысяч многопроволочных пропорциональных камер, которые организованы в пять прямоугольных «станций», а полная их площадь составляет 435 кв. метров.
Рис. 6. Моделирование отклика детектора на процесс столкновения двух протонов, в котором, среди всего прочего, родился и распался Bs-мезон. Изображение с сайта cdsweb.cern.ch Информация о наличии мюонов с достаточно большим поперечным импульсом используется в первичном триггере детектора, на основании которого из всего потока событий выбираются только потенциально интересные и записываются на диск для последующего анализа. Не стоит, однако, думать, что следы искомых процессов распада B-мезонов будут лежать на поверхности. Для примера на рис. 6 показана смоделированная картина рождения и распада Bs-мезона на J/ψ- и φ-мезоны. Следы этой реакции теряются среди многочисленных вторичных адронов, родившихся в том же столкновении протонов, что и Bs-мезон. Однако благодаря мюонам (синие линии) можно узнать, что в этом событии произошло что-то интересное, и дать сигнал для его записи.
Коллаборация
По состоянию на 2006 год коллаборация LHCb насчитывала более 650 ученых из 48 института 13 стран мира.
Дополнительная литература:
- Public LHCb page — страница детектора для широкой публики; LHCb — технические страницы детектора.
- The LHCb Detector at the LHC // Journal of Instrumentation, 3 S08005 (2008) — технический обзор эксперимента.
- Progress reports of the LHCb experiment — подборка обзоров и отчетов, о статусе детектора в разные моменты времени.
- LHCb Posters — плакаты про детектор LHCb.