LHC Status: Run III





Allgemeines
• Name: LHCb (Large Hadron Collider beauty)
• Länge: 21 m
• Breite: 13 m
• Höhe: 10 m
• Gewicht: 5600 Tonnen
• Position: IP 8


Das LHCb-Experiment geht der Frage nach, warum unser Universum hauptsächlich aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Lässt sich ein derartiges Ungleichgewicht beweisen? Tatsächlich wurde dies bereits in anderen Experimenten mit Kaonen beobachtet. Antikaonen wandeln sich spontan in Kaonen um, das Gegenteil geschieht jedoch seltener. Der LHCb wird einen anderen Kandidaten untersuchen, das B-Meson, das unter anderem ein Elementarteilchen (bzw. sein Antiteilchen) namens B-Quark, oder auch Beauty-Quark enthält (wovon sich auch der Name des LHCb ableitet).

Wie ATLAS und CMS hat sich auch LHCb, der Suche nach neuen Teilchen verschrieben. CMS und ATLAS suchen nach neuen Teilchen, die direkt in der Kollision entstehen und anhand ihrer Zerfallsprodukte direkt nachgewiesen werden können. Es gibt aber auch Teilchen, die nur indirekt in Zerfällen nachgewiesen werden können, wie beispielsweise das B-Quark. Nach diesen sucht LHCb. Eine Voraussetzung, um neue Teilchen durch ihre Beiträge in Zerfällen von B-Hadronen nachzuweisen ist, dass diese Zerfälle sehr präzise theoretisch vorhergesagt und vermessen werden können. Nur wenn die Zerfallsraten, die das Standardmodell vorhersagt, genau bekannt sind, können die Physiker kleine Abweichungen in experimentellen Messungen als Zeichen für neue Phänomene interpretieren. Die indirekte Suche am LHCb-Experiment, ergänzt somit die direkte Suche an den beiden Universaldetektoren ATLAS und CMS.

Das LHCb-Experiment ist auf Präzisionsmessungen von B-Zerfällen spezialisiert. Diese Analysen hängen entscheidend von der Rekonstruktion der Spuren der stabilen B-Zerfallsprodukte ab. Eine präzise Ortsauflösung wird benötigt, um die B-Zerfallslänge zu vermessen. Spurmessungen vor und hinter einem Magnetfeld ermöglichen den Impuls des Zerfallsteilchens zu bestimmen. Ca. 50000 einzelne Ortsmessungen werden hierfür in wenigen Millisekunden untersucht und zu Spuren kombiniert. Die strengen Zeitvorgaben werden vom Triggersystem und den hohen Ereignisraten am LHC vorgegeben. Komplexe Algorithmen (wie Hough-Transformationen, Kalman-Fitter, Zelluläre Automaten) werden eingesetzt, um dieses kombinatorische Problem zu lösen und Spuren, effizient und mit hoher Reinheit zu rekonstruieren.



Detektoraufbau


Der LHCb-Detektor ist anders aufgebaut als die anderen Detektoren am LHC, er ist ein so genanntes Vorwärtsspektrometer (das heisst die Detektion erfolgt nur in eine Richtung), da sogenannte b¯b-Quark-Paare bevorzugt in die gleiche Richtung und bei kleinen Winkeln produziert werden. Der erste Subdetektor liegt direkt am Kollisionspunkt, weitere sind auf einer Länge von 20 Metern hintereinander angeordnet. Diese Geometrie ist genau auf den Nachweis von B-Hadronen optimiert. Zur Teilchenidentifikation, insbesondere der Trennung von Pionen und Kaonen, wird ein Ring Imaging Cherenkov Detektor (RICH) benutzt. Die Subdetektoren haben zwei Aufgaben. Sie dienen der Spurrekonstruktion, die den Trigger Tracker, die inneren und äusseren Spurkammern sowie den Vertex-Detektor einschliesst. Für die Teilchenidentikation werden der RICH-Detektor und die Kalorimeter benutzt. Die Myonenkammern werden für beide Zwecke verwendet.


LHCb-Detektor Quelle: CERN



Vertex Locator (VELO):


Der Vertex-Detektor befindet sich um den Kollisionspunkt herum. Er besteht aus 42 Siliziummodulen, die entlang des Strahlrohres angebracht sind. Jedes der Module kann sowohl die radiale als auch die Winkelkomponente messen. Um Mehrfachstreuung zu verringern, befindet sich der Aufbau im Vakuum.

Eine besondere Eigenschaft des Vertex Detektors ist seine Beweglichkeit. Um den Primärvertex der Proton-Proton-Kollision gut vermessen zu können, befinden sich die Detektormodule sehr nah an der Strahlachse. Direkt nach der Injektion des Protonenstrahls in das Strahlrohr des LHC, ist dieser aber defokussiert. Um Schäden an den strahlnahen Detektormodulen zu vermeiden, werden sie durch Motoren bis auf einen Abstand von 3.5 cm zur Strahlachse verschoben. Bei stabilem Strahl werden die Module dann auf 5 Millimeter an den Strahl herangefahren.


Grafische Darstellung des Vertexdetektors Quelle: CERN


Bewegliche Vertexmodule


Ein Detektorarm des VELO Quelle: CERN


Trigger Tracker (TT):


Der Trigger Tracker, der zwischen RICH1 und dem Magneten positioniert ist, hat verschiedene Aufgaben. Als Teil des Trackingsystems dient er zur Spurrekonstruktion. Gleichzeitig wird er zur Impulsmessung niederenergetischer Teilchen genutzt, da diese aufgrund ihrer starken Krümmung im Magnetfeld, ausserhalb der Akzeptanz der Spurkammern T1,T2 und T3 liegen. Langlebige Teilchen, die wegen ihrer längeren Flugzeit nicht mehr im Velo zerfallen, werden ebenfalls von dem TT und dem Vorwärtsspektrometer rekonstruiert. Die Signaldetektierung erfolgt durch in Reihen angeordnete Siliziumsensoren, die unterschiedlich ausgerichtet sind. Zusätzlich haben die Sensoren nahe des Strahlrohrs eine feinere Segmentierung. Insgesamt besteht das Trackingssystem aus 270000 Elektroden, welche die Position eines Teilchens auf 0.05 mm genau bestimmen können.


Triggertrackermodul Quelle: CERN


LHC-b Magnet:

Beim verwendeten Magneten im LHCb Detektor handelt es sich um einen Dipolmagneten. Der Magnet besteht aus 2 grossen Spulen mit einem Gewicht von rund 27 Tonnen (ohne Joch). Sein Magnetfeld dient zusammen mit den Detektorbestandteilen der Impulsbestimmung.


Blau: Magnetspulen; Rot: Eisenjoch


LHCb Magnetspule und das umgebende Eisenjoch Quelle: CERN


Spurkammern (T1, T2, T3)


Die Spurkammern T1, T2 und T3 sind zwischen Magnet und RICH2 angeordnet. Neben der Impulsmessung geben sie Richtungsinformationen der Teilchenspuren, die wesentlich für die Auswertung der Cherenkov-Ringe des RICH2 sind. Zudem liefern sie Zeitinformationen für die Rekonstruktion in den Kalorimetern und den Myonkammern. Da die Spurdichte nahe des Strahlrohres im Gegensatz zum äusseren Bereich sehr hoch ist, werden die Spurkammern in innere (Inner Tracker-IT) und äussere (Outer Tracker-OT) Spurkammern unterteilt. Der aus Siliziumstreifen bestehende IT deckt den Bereich von Spuren mit kleinen Polarwinkeln ab. Der OT besteht aus mehreren Proportionalzählrohren mit einer Gasmischung aus 70% Ar und 30% CO2. Bei diesem Verhältnis wird eine Driftzeit ca. 75 ns erreicht. Damit besteht die Möglichkeit, Signale von zwei aufeinander folgenden Proton-Proton-Kollisionen zu unterscheiden.


Schema TT und T1, T2, T3 Quelle: CERN


Die 3 Spurkammern nach dem LHCb-Magneten Quelle: CERN


RICH1 / RICH2 (Ring Imaging Cherenkov-Detektor):


Der RICH-Detektor dient zur Teilchenidentikation. Um einen weiten Impulsbereich abzudecken, werden zwei RICH-Detektoren (RICH1 und RICH2) verwendet. Die Spuren von niederenergetischen Teilchen werden stärker im Magnetfeld gekrümmt. Daher müssen diese früh gemessen werden, bevor sie ausserhalb des Detektorbereichs gelangen. Aus diesem Grund ist der RICH1 zwischen dem VELO und dem TT angeordnet und deckt somit einen Impulsbereich von 1 – 60 GeV ab. Der RICH2, der zwischen den Spur- und den Myonkammern positioniert ist, misst je nach Teilchen in einem Impulsbereich von bis zu 100 GeV. Bei RICH1 werden ein Aerogel (Brechzahl n=1.03) und C4F10 (Brechzahl n=1.0014) als Radiator verwendet. Bei RICH2 benutzt man Tetrafluormethan (Brechzahl n=1.0005). Im RICH-Detektor werden diese Lichtkegel mit Spiegeln auf Photodioden projeziert. Über eine Messung des Radius erhält man den Winkel.


Spiegelsystem des RICH-Detektors Quelle: CERN


Teil des Spiegelsystems (Rich1) Quelle: Composite Mirror Applications


Dunkelkammer des (RICH2) Quelle: CERN


Elektromagnetisches Kalorimeter (ECAL)


Energiemessungen werden mit dem elektromagnetischem Kalorimeter (ECAL) und dem hadronischem Kalorimeter (HCAL) durchgeführt. Das ECAL misst elektromagnetische Schauer von Photonen und Elektronen, während das HCAL hadronische Schauer detektiert, die durch Pionen, Kaonen und Protonen entstehen. Vor dem ECAL befindet sich der SPD (Scintillator Pad Detector), ein Detektor, welcher aus Szintillatoren besteht und die Energien der Spuren misst, bevor diese in der darauf folgenden 12 mm dicken Bleischicht einen Teilchenschauer auslösen. Anschliessend werden diese Schauer mit einem Vorwärtsschauer-Detektor gemessen, bis sie an das ECAL gelangen. Das ECAL besteht aus sich abwechselnden Schichten von 4 mm dicken Szintillatoren und 2 mm dicken Bleiplatten. Die Bleiplatten bewirken, dass elektromagnetische Teilchen durch Bremsstrahlung und Paarproduktion elektromagnetische Schauer bilden, die in den Szintillatoren über 3300 Photomultipliern detektiert werden.


Elektromagnetisches Kalorimeter Quelle: CERN


Hadronisches Kalorimeter (HCAL)


Um hadronische Schauer zu erzeugen, besitzt das nach dem ECAL folgende hadronische Kalorimeter eine Schicht aus sich abwechselnden 16 mm dicken Eisenplatten und 4 mm dicken Szintillatoren. Im HCAL deponieren die Hadronen den grössten Teil ihrer Energie. Das entstehende Signal wird mittels Szintillatoren ausgelesen.


Hadronisches Kalorimeter Quelle: CERN


Einbau einer Szintillatorplatte für das HCAL Quelle: CERN


Myonspektrometer:


Die Myonkammern sind nach allen anderen Detektoren positioniert, da Myonen die einzigen Teilchen sind, die den gesamten Detektor durchqueren. Zusammen mit den Informationen aus den Spurkammern, können die Spuren der Myonen rekonstruiert werden. Es gibt insgesamt fünf Einheiten M1-M5. M1 ist vor dem ECAL positioniert und dient zur Verbesserung von Ortsinformationen bei der Spurrekonstruktion. M2-M5 sind nach dem HCAL angeordnet. Zwischen den einzelnen Einheiten befinden sich 80 cm dicke Bleiplatten, welche zur Filterung der restlichen hadronischen Teilchen dienen. Die Myonkammern sind aus Vieldraht-Proportionalzählern sowie aus Driftrohren aufgebaut. Da nahe des Strahlrohres ein grösserer Teilchenfluss besteht, wurde in dem inneren Teil der Kammern eine feinere Granularität benutzt als in den äusseren Bereichen. Insgesamt 1400 Myonenkammern pro Einheit, sind mit einem Gasgemisch aus Kohlendioxid, Argon und Tetrafluormethan gefüllt. Durchquert ein Myon eine solche Kammer, erfolgt eine Reaktion bei der Elektronen abgegeben werden, welche dann von Elektroden registriert werden.


Myonenkammern Quelle: CERN