LHCb

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment : Expérience du LHC sur le quark beauté) est une expérience de physique des particules utilisant les collisions de protons produites au collisionneur LHC du CERN (Genève). Ce détecteur est spécialisé dans la physique des saveurs et la recherche de nouvelle physique par des méthodes indirectes comme la mesure de violation de la symétrie CP ou de taux d'embranchement de décroissances rares.

Plan en coupe du détecteur LHCb

Le détecteur LHCb se trouve sur la commune de Ferney-Voltaire en France au point 8 du LHC, à quelques mètres de la frontière suisse.

Objectifs scientifiques

LHCb est destiné à l'étude de la violation de CP et à la recherche de désintégrations rares pouvant faire ressortir de la nouvelle physique dans le secteur de la beauté. L'analyse des données porte largement sur les mésons beaux (contenant un quark b ou un anti-quark b) et charmés (contenant un quark c ou un anti-quark c), mais aussi sur les baryons beaux (contenant trois quarks dont un quark ou antiquark b), les bosons (Higgs ou Z) ou la recherche de particules exotiques.

Dispositif expérimental

Du point de vue matériel, LHCb est un spectromètre à un bras dirigé vers l'avant, ce qui permet d'optimiser la détection de hadrons contenant des quarks b. En effet, les paires quark b - antiquark b qui sont à l'origine de ces hadrons beaux sont produites au cours des collisions de protons par un processus appelé fusion de gluons qui favorise l'émission de ces paires à un très petit angle par rapport au faisceau de protons. Le cône formé par l'instrument correspond donc à la zone où l'émission de ces paires (et donc la production de hadrons beaux) est la plus probable.

Afin d'effectuer des mesures précises de désintégrations de ces hadrons beaux ou charmés, le détecteur LHCb se divise en deux sous-systèmes principaux:

- le système de trajectographie qui a pour but de reconstruire avec précision les trajectoires des particules chargées à l'intérieur du détecteur afin de pouvoir mesurer précisément leurs quantités de mouvements. Ce système se compose d'un détecteur de vertex (le VELO), d'un aimant pour courber la trajectoire des particules chargées et en déduire leur quantité de mouvement, et de deux trajectographes (le trajectographe de silicium, ST, et le trajectographe extérieur, OT).

- le système d'identification des particules dont le rôle est d'identifier les particules produites au cours des collisions de protons. Ses principaux éléments sont deux détecteurs RICH qui peuvent discerner les kaons, les muons, les protons et les pions, un calorimètre électronique (principalement pour les électrons et les photons), un calorimètre hadronique (pour les hadrons chargés ou neutres) et enfin un détecteur de muons.

Collaboration

En Août 2020, l'expérience regroupe plus de 1400 membres, issus de 85 laboratoires et universités de 18 pays : Italie, Royaume-Uni, France, Russie, Allemagne, Pologne, Suisse, Ukraine, Brésil, Espagne, Pays-Bas, Chine, États-Unis, Irlande, Roumanie, Colombie, Slovénie et Algérie.

Principaux résultats

Plusieurs résultats collectivement appelés "anomalies" sont mesurés dans les transitions générées par des diagrammes pingouins[1]^,[2].
En combinant ses données avec celles de l'expérience CMS, la collaboration LHCb observe la désintégration rare du méson Bs en deux muons[3].
Elle observe aussi plusieurs particules composées de 5 quarks, nommées pentaquarks, dans les désintégrations de baryons b[4].
En mars 2019, l'équipe de chercheurs du LHCb publie des résultats préliminaires de l'expérience : une étude réalisée sur des quarks charm observe pour la première fois une violation de la symétrie CP directe[3].

Références

LHCb collaboration, R. Aaij, B. Adeva et M. Adinolfi, « Test of lepton universality using $B^{+}\rightarrow K^{+}\ell ^{+}\ell ^{-}$ decays », Physical Review Letters, vol. 113, n^o 15,‎ 6 octobre 2014, p. 151601 (ISSN 0031-9007 et 1079-7114, DOI 10.1103/PhysRevLett.113.151601, lire en ligne, consulté le 3 août 2020)
(en) LHCb Collaboration, R. Aaij, C. Abellán Beteta et B. Adeva, « Angular analysis of the $B^{0}\rightarrow K^{*0}\mu ^{+}\mu ^{-}$ decay using $3\,{\mbox{fb}}^{-1}$ of integrated luminosity », Journal of High Energy Physics,‎ 16 février 2016 (DOI 10.1007/JHEP02(2016)104, lire en ligne, consulté le 3 août 2020)
The CMS, LHCb Collaborations, V. Khachatryan et A. M. Sirunyan, « Observation of the rare $B_{s}^{0}\to \mu ^{+}\mu ^{-}$ decay from the combined analysis of CMS and LHCb data », Nature, vol. 522, n^o 7554,‎ juin 2015, p. 68–72 (ISSN 0028-0836 et 1476-4687, DOI 10.1038/nature14474, lire en ligne, consulté le 3 août 2020).
LHCb collaboration, R. Aaij, B. Adeva et M. Adinolfi, « Observation of $J/\psi p$ resonances consistent with pentaquark states in ${\Lambda _{b}^{0}\to J/\psi K^{-}p}$ decays », Physical Review Letters, vol. 115, n^o 7,‎ 12 août 2015, p. 072001 (ISSN 0031-9007 et 1079-7114, DOI 10.1103/PhysRevLett.115.072001, lire en ligne, consulté le 3 août 2020)

Liens externes

(en) Chris Jones et Ulrich Kerzel, « LHCb prepares for a RICH harvest of rare beauty », dans CERN Courier, no 6 (2007), p. 30-33. < http://cerncourier.com/cws/article/cern/30585 >
(en) Site grand public de l'expérience LHCb
(fr) Pages LHCb du site LHC-France du CNRS et du CEA
(fr) Page LHCb du site LHC du CERN
(en) Le site de l'expérience LHCb

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[1] LHCb collaboration, R. Aaij, B. Adeva et M. Adinolfi, « Test of lepton universality using $B^{+}\rightarrow K^{+}\ell ^{+}\ell ^{-}$ decays », Physical Review Letters, vol. 113, n^o 15,‎ 6 octobre 2014, p. 151601 (ISSN 0031-9007 et 1079-7114, DOI 10.1103/PhysRevLett.113.151601, lire en ligne, consulté le 3 août 2020)

[2] (en) LHCb Collaboration, R. Aaij, C. Abellán Beteta et B. Adeva, « Angular analysis of the $B^{0}\rightarrow K^{*0}\mu ^{+}\mu ^{-}$ decay using $3\,{\mbox{fb}}^{-1}$ of integrated luminosity », Journal of High Energy Physics,‎ 16 février 2016 (DOI 10.1007/JHEP02(2016)104, lire en ligne, consulté le 3 août 2020)

[rare-3] The CMS, LHCb Collaborations, V. Khachatryan et A. M. Sirunyan, « Observation of the rare $B_{s}^{0}\to \mu ^{+}\mu ^{-}$ decay from the combined analysis of CMS and LHCb data », Nature, vol. 522, n^o 7554,‎ juin 2015, p. 68–72 (ISSN 0028-0836 et 1476-4687, DOI 10.1038/nature14474, lire en ligne, consulté le 3 août 2020).

[4] LHCb collaboration, R. Aaij, B. Adeva et M. Adinolfi, « Observation of $J/\psi p$ resonances consistent with pentaquark states in ${\Lambda _{b}^{0}\to J/\psi K^{-}p}$ decays », Physical Review Letters, vol. 115, n^o 7,‎ 12 août 2015, p. 072001 (ISSN 0031-9007 et 1079-7114, DOI 10.1103/PhysRevLett.115.072001, lire en ligne, consulté le 3 août 2020)