|
|
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 |
|
|
 |