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LHCb

par Webmaster - 30 septembre

Physique des saveurs lourdes au LHC

LHCb, l’une des quatre principales expériences du LHC, est dédiée aux études de physique des saveurs lourdes et, plus particulièrement, celle des quarks b et c.

Depuis le démarrage du LHC en 2010, le groupe LHCb du LPNHE est impliqué dans les activités d’analyse et de fonctionnement de l’expérience. Il a également développé deux principaux sujets d’analyse.

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LHCb
LHCb

L’expérience LHCb

La conception du détecteur LHCb comme un spectromètre à bras unique situé vers l’avant est due au fait qu’au LHC les paires de hadrons beaux sont produites, d’une manière prédominante, dans les deux cônes issus du point d’interaction, à petit angle
par rapport à l’axe des faisceaux, et seul un côté est instrumenté. Près du point d’interaction, un détecteur de vertex permet de reconstruire le point de désintégration du B avec une précision de 10 à 20 micromètres. Ce détecteur est essentiel pour l’étude de mésons B dont le temps de vie propre est de l’ordre de la picoseconde et la longueur de vol dans le détecteur est de l’ordre de quelques millimètres. Il est suivi par une première composante RICH (Ring Imaging Cherenkov Counter), qui permet l’identification des particules d’impulsion inférieure à 40 GeV/c environ. Vient ensuite un trajectographe (« tracker ») composé de plusieurs instruments permettant une mesure précise de l’impulsion des particules chargées : un aimant dipolaire qui courbe les traces, en amont de ce dernier des chambres à micropistes de silicium, et en aval trois stations composées de micropistes de silicium (près de l’axe du faisceau) et de chambres
à tubes (à l’extérieur). Après ce système de « tracking », il y a un deuxième compteur RICH pour l’identification des particules d’impulsion supérieure à 40 GeV/c, un système de calorimètres électromagnétiques et hadroniques et un système d’identification des muons qui jouent tous trois un rôle dans le déclenchement.

Analyse de physique et fonctionnement de l’expérience


Les analyses de physique effectuées dans le groupe portent principalement sur
deux axes : l’étude des désintégrations B→K(*)+(‘)- ( ℓ(‘)=lepton ) , comprenant des canaux avec violation de la saveur leptonique, et des désintégrations du méson B en états finals sans particules charmées. De plus, l’équipe est impliquée dans plu- sieurs études de hadrons charmés et de spectroscopie, ainsi que dans des recherches de nouvelles particules. Parmi ces études, nous comptons celles des baryons Ξb0*, la recherche de tetraquarks dans le spectre Bs0 π ± et la découverte du baryon doublement charmé Ξcc++.

L’étude du canal de désintégration B(0) →K(*0) μ +μ - est l’un des sujets phares
de l’expérience LHCb. Dans le modèle standard, il fait intervenir uniquement les diagrammes « pingouin électrofaible » ou
« en boîte » et est donc fortement supprimé. De nouvelles particules pourraient intervenir dans ces diagrammes et avoir une contribution d’amplitude comparable aux processus standards. Ce canal est donc sensible à des phénomènes de nouvelle physique au delà du modèle standard, comme dans le cas des modèles mettant en jeu des mécanismes de Higgs non-standard ou différents modèles de supersymétrie. L’équipe du LPNHE contribue en particulier à l’analyse angulaire du mode B(0) →K(*0) μ +μ - et à la mesure du rapport d’embranchement. Le désaccord précédemment constaté entre l’observable P5 et sa prédiction théorique s’est confirmé dans la dernière analyse, avec 3 fb-1 de données, et de nouvelles données sont attendues avec impatience pour savoir si ce désaccord est dû à de la physique au-delà du modèle standard. Le groupe a aussi participé à la mesure du rapport RK*, entre les rapports d’embranchement de B(0) →K(*0) μ +μ - et de B(0) →K(*0) e +e-. Ce rapport doit être proche de l’unité selon les prédictions du modèle standard, mais le résultat de LHCb dévie significativement de ces prédictions.

Le groupe travaille sur plusieurs analyses dans le canal B →K(*)+(,)– avec violation de la saveur leptonique.

L’étude des modes de désintégration des mésons B sans particules charmées fournit elle aussi des tests du modèle standard et présente une variété d’intérêts théoriques ; elle peut notamment fournir les mesures des phases de mélange des mésons B neutres dans des processus « en boucle » et les contraintes sur l’angle γ du triangle d’unitarité. Un aspect nouveau pour ce type d’analyses dans LHCb est la possibilité d’étudier à la fois les désintégrations du méson BS et du méson Bd. Le groupe participe à la mesure des rapports d’embranchement des modes Bd,s →K0s h+ h‘-,(h(‘)=K,π) avec 3 fb-1. Il s’agit notamment de trois modes de désintégrations du méson Bs. Une analyse dans le plan de Dalitz du mode B0 →K0s K+ K-, sans étiquetage de saveur ou dépendance temporelle, est en cours de finalisation. Ces analyses se poursuivent, car il s’agit d’un travail de longue haleine qui progresse par étapes de complexité croissante. A terme, le but est d’effectuer une analyse dépendante du temps et utilisant l’étiquetage de saveur, afin de mesurer les phases de mélange des mésons B neutres, &beta ; et &beta ;S, dans ces processus. Dans le deuxième cas, une telle mesure n’a jamais été effectuée.

Des membres du groupe assurent plu- sieurs rôles de responsabilité dans LHCb : « deputy physics coordinator », « Early Career, Gender & Diversity Officer », coordination des groupes de travail « Tracking, Alignment & Vertexing », « Electroweak Penguins » et
 « Charmless 3-body decays ». Un membre du groupe faisait partie de l’« Editorial Board » et deux autres sont responsables de la trajectographie ou de la production Monte Carlo dans leurs groupes de travail respec- tifs. Nous contribuons à plusieurs tâches autour de la prise des données et à la revue d’analyses. Nous contribuons aussi à des études pour la trajectographie de LHCb.

Le groupe a participé à l’organisation de plusieurs événements scientifiques, notamment trois qui ont eu lieu au LPNHE : deux éditions du « LHCb Computing Workshop » en 2015 et 2016 et le « Franco-Italian Meeting on B physics » en 2016. Un projet d’un membre du groupe a obtenu un financement auprès de l’ERC, et un autre auprès de l’ANR.

Le trajectographe à fibres scintillantes (SciFi) pour l’upgrade de LHCb


Le trajectographe actuel n’est pas adapté pour la prise de données après l’amélioration de l’accélérateur qui se fera durant l’arrêt en 2018-2019, car le taux d’occupation sera trop élevé. Il sera donc remplacé par un système (SciFi) basé sur trois stations composées de fibres scintillantes, lues à leurs deux extrémités par des photomultiplicateurs en silicium (SiPM). Ce détecteur aura une bonne résistance aux radiations, une granularité spatiale fine et permettra la reconstruction de traces au niveau du système de déclenchement. Après un premier traitement du signal des SiPM par l’électronique frontale, les données seront transmises à la ferme de calcul par liaison optique via des cartes de lecture génériques : les PCIe40. Elles constituent l’électronique dite « back-end ».

Deux axes principaux sont développés. D’une part nous contribuons aux aspects
de simulation et de reconstruction. Certains de ces aspects, notamment les logiciels
de géométrie du détecteur et la trajectographie « standalone », qui est nécessaire pour la reconstruction des traces issues de la désintégration de particules neutres de longue durée de vie, ont été pris en charge par le groupe. Cela nous a rapidement mené à contribuer, avec nos propres études, à la définition des choix relatifs à la conception du détecteur et au TDR. D’autre part, nous avons une activité autour de l’électro- nique de back-end. Le LPNHE est impliqué dans le développement du microcode des cartes PCIe40, spécifique au système SciFi. Après la phase de développement, l’équipe du LPNHE réalisera l’implantation des microcodes sur les systèmes PCIe40 finaux, l’application et le test des logiciels d’acquisition dédiés, et finalement l’installation des cartes et leur intégration dans la chaîne d’acquisition globale.

Chiffres clés

Luminosité intégrée avec les collisions à 13 TeV depuis 2015 : 2.1fb-1

Articles publiés depuis 2015 : 143

Luminosité intégrée prévue pendant la phase d’upgrade : plus de 50 fb-1

Retrouvez ce texte dans le rapport d’activité 2015-2017 du LPNHE.

Contact : Eli Ben-Haïm +33 1 44 27 84 24

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