Quelltext der Seite LHCb

{{Large Hadron Collider}}

Das '''LHCb'''-Experiment (für ''[[Large Hadron Collider]] [[Bottom-Quark|beauty]]'') ist eines von sechs Experimenten am Large Hadron Collider am [[CERN]]. LHCb ist unter anderem spezialisiert auf die Untersuchung von Zerfällen von [[Hadronen]], die ein [[Bottom-Quark|bottom]]- oder [[charm-Quark]] enthalten. Die resultierenden Präzisionsmessungen zur [[CP-Verletzung]] oder zu seltenen Zerfällen erlauben sensitive Tests des [[Standardmodell]]s. Sprecher des Experiments ist seit 1.&nbsp;Juli 2020 [[Chris Parkes]]<ref>{{Internetquelle |url=https://home.cern/news/news/experiments/new-spokesperson-lhcb-collaboration |titel=New spokesperson for the LHCb collaboration |hrsg=CERN |autor=Ana Lopes |sprache=en |datum=2020-06-30 |abruf=2020-07-03}}</ref>, Nachfolger von [[Giovanni Passaleva]] (2017–2020 in dieser Funktion).<ref>{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/en/Collaboration/GiovanniPassaleva.html |titel=GiovanniPassaleva |sprache=en |abruf=2017-12-04}}</ref>

[[Datei:Lhcbview.jpg|mini|600px|Schnitt durch den LHCb Detektor]]

== Aufbau des LHCb-Detektors ==
B-Mesonen werden vor allem durch Prozesse der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] erzeugt. Dabei werden ein b-Quark plus ein b-Antiquark zusammen erzeugt. Messungen zu neutralen B-[[Meson]]en erfordern die Kenntnis, ob zum Zeitpunkt der Erzeugung ein b-Quark oder b-Antiquark vorlag. Dazu werden die Zerfallsprodukte beider B-Mesonen im Ereignis untersucht. Bei Erzeugung eines b-Quarks in Richtung der Strahlachse ist die Wahrscheinlichkeit maximal, dass auch das Partnerteilchen in diese Richtung fliegt. Dies erklärt die Geometrie des LHCb-Detektors, der als Vorwärtsspektrometer aufgebaut ist. Aus Kostengründen ist nur eine der beiden möglichen Richtungen instrumentiert.

Wie alle großen LHC-Detektoren verfügt auch der LHCb-Detektor über ein Strahlmonitorsystem (''Beam Conditions Monitor'', BCM<ref name="BCM">C. Ilgner et al.: ''The Beam Conditions Monitor of the LHCb-Experiment''. {{arXiv|1001.2487}}</ref>). Der BCM überwacht mittels [[Diamant]]-Sensoren, die nahe der Strahlachse montiert sind, die Strahlqualität. Die Sensoren messen die Ionisation, die geladene Teilchen beim Durchgang erzeugen. Übersteigt das Signal bestimmte Schwellen, wird der Strahl im LHC automatisch aus dem Beschleuniger heraus geleitet und entsorgt (''beam dump''), um den Detektor vor Schäden durch außer Kontrolle geratene Strahlen zu schützen.

=== Vertexdetektor VELO ===
B-Mesonen haben eine sehr kurze Lebenszeit und zerfallen bereits nach wenigen Millimetern Flugstrecke. Mit dem VELO-Detektor ist eine genaue Positionsbestimmung des Zerfallsorts möglich und die Teilchenspuren im Detektor lassen sich ihrem Ursprungsort zuordnen.

Der Vertexdetektor besteht aus 42 halbkreisförmigen Halbleiter-Spurdetektoren, die entlang des Strahls um den Kollisionspunkt herum angeordnet sind. Die Halbleiterdetektoren mit einer Dicke von jeweils 0,3&nbsp;mm haben eine Auflösung von 10&nbsp;µm und die nächsten Teile befinden sich in einem Abstand von lediglich 7&nbsp;mm zum Strahl. Durch diese Anordnung können die Kollisionspunkte mit einer Auflösung von unter 50&nbsp;µm ermittelt werden.

Während der Testphase und bei der Befüllung des LHC kann es zu Instabilitäten des Strahls kommen. Um die strahlnahen Detektoren vor dem hochenergetischen Strahl zu schützen, sind die Detektoren auf Schlitten montiert und werden erst nach der Stabilisation des Strahls in die Strahlnähe gefahren, ansonsten befinden sie sich in der Ruheposition 35&nbsp;mm vom Strahl entfernt. Das gesamte VELO-Detektorsystem befindet sich in einer [[Vakuumkammer]]. Die Detektoren werden über ein CO<sub>2</sub>-Kühlsystem auf etwa −25&nbsp;°C gekühlt.<ref name="VELO2-en">{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/en/Detector/VELO2-en.html |titel=The Large Hadron Collider Beauty experiment / VELO |hrsg=CERN / LHCb |datum=2008-05-15 |sprache=en |abruf=2010-03-20}}</ref>

=== RICH-Detektoren ===
Direkt hinter dem VELO-Detektor befindet sich der RICH-1-Detektor. Es handelt sich um einen [[Ring-imaging Cherenkov detector]], in dem aus der [[Tscherenkow-Strahlung]] geladener Teilchen beim Durchgang durch ein optisch dichtes Medium die Geschwindigkeit der Teilchen ermittelt werden kann.

Im RICH-1 kommen zwei optische Medien mit verschiedenem [[Brechungsindex]] zum Einsatz, zuerst eine Scheibe aus [[Aerogel]], gefolgt von einem mit [[Decafluorbutan|Perfluorbutan]]-Gas (C<sub>4</sub>F<sub>10</sub>) gefüllten Raum, womit ein weites Impulsspektrum von 1 bis 50&nbsp;GeV/c vermessen werden kann. Die Tscherenkow-Strahlung wird über zwei Spiegelsysteme aus dem Strahlengang herausgeleitet und von einem System aus 196 Photodetektoren aufgenommen.<ref name="RICH2-en">{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/en/Detector/RICH2-en.html |titel=The Large Hadron Collider Beauty experiment / RICH detectors |hrsg=CERN / LHCb |datum=2008-05-15 |sprache=en |abruf=2010-03-21}}</ref>

Der RICH-2-Detektor befindet sich weiter hinten und dient der Messung von Teilchen mit höherem Impuls (Bis etwa 150&nbsp;GeV/c). Auf diese Art kann über einen großen Energiebereich hinweg die Geschwindigkeit der Teilchen und damit auch ihre Masse vermessen werden, was für die Teilchenidentifikation wichtig ist.

=== Tracking-System ===
Das Tracking-System besteht aus den Siliziumdetektoren des ''Tracker [[Turicum|Turicensis]]'' vor dem Magneten und den [[Drahtkammer]]n ([[Straw-Detektor]]) des ''Outer Tracker'' bzw. den Siliziumdetektoren des ''Inner Tracker'' hinter dem Magneten. Damit kann die Flugbahn der Teilchen ermittelt werden (''tracking'') – man kann die Spuren vor dem Magneten den Spuren hinter dem Magneten zuordnen und erhält über den Ablenkwinkel darin eine Messung des Teilchenimpulses. Auch die Daten des VELO werden zum Tracking genutzt.

=== Kalorimeter ===
In den [[Kalorimeter (Teilchenphysik)|Kalorimetern]] werden die meisten Teilchen gestoppt und ihre Energie sowie ihre Flugrichtung erneut bestimmt. Wichtig ist das vor allem für ungeladene Teilchen, da diese in den anderen Detektorteilen nicht beobachtet werden können. Dabei werden zunächst [[Elektron]]en, [[Positron]]en und [[Photonen]] im elektromagnetischen Kalorimeter (''ECAL'') gestoppt, im nachfolgenden hadronischen Kalorimeter (''HCAL'') werden dann alle [[Hadronen]] detektiert.

=== Myon-System ===
Den letzten Teil des Detektors bilden die Myon-Kammern: Diese sind speziell auf den Nachweis von [[Myon]]en ausgelegt, die bei einigen wichtigen Zerfällen im Detektor entstehen.

=== Trigger ===
Der LHCb-Detektor verfügt über ein zweistufiges [[Trigger (Physik)|Trigger]]-System. In einem ersten Schritt werden hauptsächlich Treffer im Myon-System und Energiedepositionen im Kalorimeter zur Entscheidungsfindung herangezogen, da diese schnell auswertbar sind. Die erste Triggerstufe reduziert die Ereignisrate von 20&nbsp;MHz auf 1&nbsp;MHz. Mit dieser Rate werden danach die gesamten Detektordaten ausgelesen, und das jeweilige Ereignis wird auf einer Rechnerfarm weiter verarbeitet. Die Zahl der Ereignisse wird dann auf ca. 5000/s reduziert, die dann gespeichert werden und für die weitere Analyse zur Verfügung stehen.

== Datenaufzeichnung ==
Im Jahr 2010/2011 wurden Daten bei einer [[Schwerpunktsenergie]] von 7&nbsp;TeV mit einer integrierten [[Luminosität]] von 1,145&nbsp;fb<sup>−1</sup> aufgezeichnet. Im Jahr 2012 betrug die integrierte Luminosität bei einer Schwerpunktsenergie von 8&nbsp;TeV bereits 2,082&nbsp;fb<sup>−1</sup><ref name="Lumipots">{{Internetquelle |url=http://lhcb-operationsplots.web.cern.ch/lhcb-operationsplots/index.htm |titel=LHCb Operations Plots |hrsg=CERN / LHCb |sprache=en |abruf=2016-01-10}}</ref>. Die instantane Luminosität wird seit 2011 wenn möglich durch geeignetes Versetzen der Strahlen konstant auf 4·10<sup>32</sup>cm<sup>−2</sup>s<sup>−1</sup> gehalten und ist damit etwa doppelt so groß wie ursprünglich geplant. 2012 wurden die Ereignisse mit einer Rate von bis zu 5000/s statt der zunächst vorgesehenen Rate von 2000/s gespeichert.

== Resultate ==
Bis September 2014 sind bereits 219 Veröffentlichungen zu Ergebnissen der LHCb-Kollaboration in [[Peer-Review|referierten]] Journalen erschienen, die ein breites Spektrum an Analysethemen umfassen.<ref>{{Internetquelle |url=https://cds.cern.ch/collection/LHCb%20Papers?ln=en |titel=LHCb papers |hrsg=LHCb |abruf=2014-09-20}}</ref>

Besondere Aufmerksamkeit erfuhr Ende 2012 die Suche nach dem seltenen Zerfall B<sub>s</sub>→μ<sup>+</sup>μ<sup>−</sup>. Im November 2012 konnte die Kollaboration diesen Zerfall erstmals mit einer statistischen Signifikanz von 3,5σ nachweisen. Das gemessene Verzweigungsverhältnis von (3,2<sup>+1,5</sup><sub>−1,2</sub>)10<sup>−9</sup> stimmt bestens mit der Vorhersage des [[Standardmodell]]s überein. Durch diese Messungen konnten zahlreiche Modelle „Neuer Physik“ eingeschränkt werden.<ref>R. Aaij et al. (LHCb Kollaboration): ''First evidence for the decay B<sub>s</sub>→μ<sup>+</sup>μ<sup>−</sup>''. In: ''Phys. Rev. Lett.'' 110 (2013) 021801, {{arXiv|1211.2674}}.</ref> Das [[Compact Muon Solenoid|CMS-Experiment]] konnte diese Messung seitdem bestätigen.

Unerwartet war die Messung von CP-Verletzung bei [[D-Meson]]en, die deutlich größer als die theoretischen Vorhersagen ausfiel.<ref>{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#DeltaAcp |titel=CP violation in charm decays. |hrsg=LHCb |sprache=en |abruf=2013-02-10}}</ref> Die Interpretation war zunächst unklar, zumal eine statistische Fluktuation nicht ausgeschlossen werden kann. Darüber hinaus scheinen auch die Berechnungen noch Spielraum für eine etwas größere CP-Verletzung zu lassen.<ref>Th. Feldmann, S. Nanda, A. Soni: ''Repercussions of Flavour Symmetry Breaking on CP Violation in D-Meson Decays''. {{arXiv|1202.3795}}.</ref> Neuere Messungen mit einem größeren Datensatz sind mit den Theorievorhersagen vereinbar.<ref>{{Internetquelle |url=https://cds.cern.ch/record/1525935?ln=en |titel=Search for direct CP violation in D0→h−h+ modes using semileptonic B decays |hrsg=LHCb Kollaboration |datum=2013-03-12 |sprache=en |abruf=2014-09-20}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=http://cds.cern.ch/record/1521995 |titel=A search for time-integrated CP violation in D0→K−K+ and D0→π−π+ decays |hrsg=LHCb Kollaboration |datum=2013-03-01 |sprache=en |abruf=2014-09-20}}</ref>

Am 13. Juli 2015 berichteten LHCb-Forscher von der Entdeckung zweier [[Pentaquark]]-[[Charmonium]]-Zustände (Pentaquarks mit Beteiligung von Charm- und Anti-[[Charm-Quark]]s) beim Zerfall des [[Lambda-Baryon|Lambda-b-Baryons]] <math>\Lambda_b^0</math>.<ref name="LHCbpublicpage">{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#Penta |titel=Observation of particles composed of five quarks, pentaquark-charmonium states, seen in <math>\Lambda_b^0 \to J/\psi p K^-</math> decays. |datum=2015-07-14 |sprache=en |abruf=2015-07-14}}</ref><ref name="LHCbcoll">LHCb collaboration: ''Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in <math>\Lambda_b^0 \to J/\psi K^- p</math> decays'' In: Phys. Rev. Lett. 115, 072001 (2015), {{arXiv|1507.03414}}</ref>

2016 gaben sie die Entdeckung mehrerer [[Tetraquark]]s bekannt, eines seit längerem gesuchten Typs exotischer Hadronen.

Weiterhin deuten mehrere Publikationen durch LHCb darauf hin, dass [[Leptonuniversalität]] – die Eigenschaft, dass sich Leptonen (Elektron, Myon, Tau-Lepton) nicht in ihren Wechselwirkungen, sondern nur in ihren Massen unterscheiden – verletzt sein könnte. Weitere Studien mit größeren Datensätzen sind nötig, um dies entweder klar nachzuweisen oder aufzuzeigen, dass die älteren Messungen nicht auf einer Verletzung der Leptonuniversalität beruhten.<ref name="LHCbpublicpageRK">{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#RK |titel=An interesting result presented at the LHCP conference. |datum=2014-06-03 |sprache=en |abruf=2017-12-04}}</ref><ref name="LHCbcollRK">LHCb collaboration: ''Test of lepton universality using <math>B^+\to K^+\ell^+\ell^-</math> decays'' In: Phys. Rev. Lett. 113, 151601 (2014), {{arXiv|1406.6482}}.</ref><ref name="LHCbpublicpageRDst">{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#RDst |titel=An intriguing anomaly. |datum=2015-05-25 |sprache=en |abruf=2017-12-04}}</ref><ref name="LHCbcollRDst">LHCb collaboration: ''Measurement of the ratio of branching fractions <math>\mathcal{B}(\overline{B}^0 \to D^{*+}\tau^-\overline\nu_\tau)/\mathcal{B}(\overline{B}^0 \to D^{*+}\mu^-\overline \nu_\mu)</math>'' In: Phys. Rev. Lett. 115, 111803 (2015), {{arXiv|1506.08614}}.</ref><ref name="LHCbpublicpageRKst">{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#RKstar |titel=Lepton universality test probes physics beyond the Standard Model. |datum=2017-04-18 |sprache=en |abruf=2017-12-04}}</ref><ref name="LHCbcollRKst">LHCb collaboration: ''Test of lepton universality with <math>B^{0} \rightarrow K^{*0}\ell^{+}\ell^{-}</math> decays'' In: JHEP 08 (2017) 055, {{arXiv|1705.05802}}.</ref><ref name="LHCbpublicpageRDst2">{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#RDst2 |titel=New test of lepton universality. |datum=2017-06-06 |sprache=en |abruf=2017-12-04}}</ref><ref name="LHCbpublicpageRJpsi">{{Internetquelle |url=http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#RJpsi |titel=First test of lepton universality using charmed-beauty meson decays. |datum=2017-09-13 |sprache=en |abruf=2017-12-04}}</ref><ref name="LHCbcollRJpsi">LHCb collaboration: ''Measurement of the ratio of branching fractions <math>\mathcal{B}(B_c^+\,\to\,J/\psi\tau^+\nu_\tau)/\mathcal{B}(B_c^+\,\to\,J/\psi\mu^+\nu_\mu)</math>'' In: {{arXiv|1711.05623}}.</ref> 2021 wurde von der LHCb-Kollaboration ein Signifikanzwert von 3,1 Standardabweichungen<ref>LHCb Kollaboration, R. Aaij u.&nbsp;a.: Test of lepton universality in beauty-quark decays, LHCb-PAPER-2021-004, CERN-EP-2021-042, [https://arxiv.org/abs/2103.11769 Arxiv]</ref>  für die Verletzung der Leptonzahluniversalität im seltenen Zerfall des  B<sup>+</sup> Mesons veröffentlicht. Der Zerfall  B<sup>+</sup>  → K<sup>+</sup>e<sup>+</sup>e<sup>−</sup> tritt etwas häufiger auf als der von  B<sup>+</sup>  → K<sup>+</sup> μ<sup>+</sup>μ<sup>−</sup>. Um als Entdeckung anerkannt zu werden (mindestens 5 Standardabweichungen) müssen noch mehr Daten gesammelt werden. Eine mögliche Erklärung jenseits des Standardmodells wären [[Leptoquark]]s. Nach Aussagen der Kollaboration (Leiter der Analyse Eluned Smith, Martino Borsato, Johannes Albrecht) sind die neuen Messungen aber konsistent mit Hinweisen auf andere kleine Abweichungen vom Standardmodell in jüngerer Zeit.<ref>[https://www.pro-physik.de/nachrichten/wackelnde-symmetrie Wackelnde Symmetrie - Neue Messungen am CERN stellen physikalische Gesetze in Frage.] Pro-Physik, 24. März 2021</ref>

== Kollaboration ==
Zur LHCb-Kollaboration gehören rund 1350 Wissenschaftler von 70 Instituten aus 17 Ländern (Stand August 2015).<ref>[https://greybook.cern.ch/greybook/experiment/detail?id=LHCB Liste der Teilnehmer], abgerufen am 2. August 2015</ref> Deutschland ist mit den Universitäten [[RWTH Aachen|Aachen]], [[Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn|Bonn]], [[Technische Universität Dortmund|Dortmund]], [[Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg|Heidelberg]] und [[Universität Rostock|Rostock]] sowie dem [[Max-Planck-Institut für Kernphysik]] vertreten, die Schweiz mit der [[Universität Zürich]] und der [[École polytechnique fédérale de Lausanne|ETH Lausanne]].<ref>{{Internetquelle |url=http://lhcb.web.cern.ch/lhcb/lhcb_page/collaboration/organization/list_of_members/Members_Default.htm |titel=LHCb Collaboration as of 6. Jan. 2016 |hrsg=LHCb Kollaboration |datum=2016-01-06 |sprache=en |archiv-url=https://web.archive.org/web/20160110013756/http://lhcb.web.cern.ch/lhcb/lhcb_page/collaboration/organization/list_of_members/Members_Default.htm |archiv-datum=2016-01-10 |offline=1 |abruf=2016-01-10}}</ref>

== LHCb Upgrade ==

Die LHCb Kollaboration plant im für 2018 vorgesehenen zweiten langen Shutdown des LHCs ein Upgrade des Experiments. Ziel dieser Maßnahmen ist eine Datennahme bei einer höheren instantanen Luminosität von 2·10<sup>33</sup>/cm<sup>2</sup>/s mit dafür optimiertem Detektor und Trigger.<ref name="FrameworkTDR">{{Internetquelle |url=http://cds.cern.ch/record/1443882 |titel=Framework TDR for the LHCb Upgrade: Technical Design Report |hrsg=CERN / LHCb |sprache=en |abruf=2013-02-03}}</ref> Eine Besonderheit des geplanten Triggers ist es, dass nun alle Kollisionsereignisse von der Rechnerfarm verarbeitet werden, wodurch z.&nbsp;B. Ereignisse mit hadronischen B-Zerfällen deutlich häufiger erkannt werden können.

== Siehe auch ==
* [[MoEDAL]]

== Weblinks ==
{{Commonscat}}
* [http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/ LHCb Public Webpage]
* [http://www.weltmaschine.de/experimente/lhcb/ LHCb] auf weltmaschine.de – offizielle Webseite der deutschen LHC-Forscher
* [http://www.uslhc.us/What_is_the_LHC/Experiments/LHCb LHCb section from US/LHC Website]
* [http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=lhcb Aufbau des LHCb-Detektors] (deutsch)
* [http://hep.ph.liv.ac.uk/~tara/lhcb_outreach/photo.html Bilder vom Aufbau des VELO-Detektors]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Large Hadron Collider}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=1072161370}}

[[Kategorie:Abkürzung]]
[[Kategorie:Internationales Forschungsprojekt]]