LHCb

Situato in un’ampia caverna sotterranea, 100 metri sotto la campagna francese, LHCb è il più piccolo dei quattro grandi esperimenti in funzione al Large Hadron Collider (LHC) presso i laboratori del CERN vicino a Ginevra, in Svizzera. Caratterizzato da un design ottimizzato per gli studi sull’antimateria utilizzando quark beauty (b) e charm (c) (la cosiddetta fisica del flavour), LHCb è un progetto dedicato alle misurazioni nel campo del flavour che ha prodotto molti risultati di primo piano a livello mondiale e che presenta un fitto programma di misure anche per i prossimi anni.

Circa 900 scienziati, membri di 81 tra università e laboratori di 19 paesi, sono coinvolti in LHCb, supportati da circa 450 tra tecnici e ingegneri (dicembre 2019). Il rivelatore ha una geometria “in avanti” scelta per sfruttare al massimo la produzione delle coppie di quark b e c nelle collisioni protone-protone a LHC. LHCb ha alcune caratteristiche peculiari che lo distinguono dagli altri esperimenti presso l’LHC e lo rendono ideale per studi di fisica del flavour.

Innanzitutto, un rivelatore al silicio per ricostruire con un’alta precisione longitudinale in prossimità del punto di interazione i vertici secondari associati ai decadimenti degli adroni contenenti quark b e c. Poi una coppia di rivelatori Cherenkov permette un’eccellente identificazione delle varie specie di particelle, in particolare i mesoni K e $\pi$, caratteristica fondamentale nello studio dei modi di decadimento di adroni pesanti. Un sistema di calorimetri e un rivelatore di muoni ($\mu$) completano la capacità di identificazione delle particelle fornendo anche informazioni chiave per il sistema di trigger. Quest’ultimo ha una buona efficienza non solo per gli stati finali che contengono due $\mu$ più facili da selezionare ma anche per gli stati finali che coinvolgono adroni, singoli leptoni e fotoni, proprietà cruciale per gli studi di fisica del flavour. LHCb è anche l’unico esperimento presso LHC ad avere un bersaglio fisso gassoso che può essere operato in parallelo alle collisioni di protoni e che apre nuove frontiere di studio dalla fisica adronica a quella dei raggi cosmici e alla ricerca della materia oscura.

A novembre 2019 la collaborazione LHCb ha pubblicato il suo cinquecentesimo articolo: il primo è stato presentato nell’agosto 2010 e da allora ne sono stati sottomessi da 50 a 70 all’anno. Tutti gli articoli di LHCb sono pubblicati open access. I risultati vanno dalla ricerca di fisica oltre il Modello Standard, alla misurazione accurata di osservabili della fisica del flavour, come i rapporti $R_K$ e $R_D$, e agli studi di QCD con le scoperte di nuovi adroni, come il barione $\Xi ^ {++} _ {cc} $ e il pentaquark. Dagli studi sulla violazione di CP, i cui risultati sono fino a ora in accordo con quanto predetto dal Modello Standard, inclusa la recente scoperta della violazione di CP nelle particelle contenenti un quark c, allo studio dei decadimenti molto rari come la misura del rapporto di decadimento $ B_s \to \mu \mu $ e la ricerca del decadimento $ K_s \to \mu \mu $. Il programma di fisica è inoltre arricchito da misure di fisica elettrodebole, ricerche di candidati di materia oscura e infine studio degli ioni pesanti, sia in modalità collisione che bersaglio fisso.

Alla fine del 2018 LHCb ha completato una presa dati di grande successo iniziata nel 2010 (con il Run 1 negli anni 2010-2012 e il Run 2 dal 2015 al 2018), e da allora è in pieno svolgimento la fase di installazione dell’upgrade. Tutti i sotto-rivelatori potranno essere letti a 40 MHz e la selezione degli eventi interessanti avverrà grazie a un trigger unicamente in software alla stessa frequenza di circa 30 MHz con cui i protoni collidono in LHCb. Questa configurazione consentirà all’esperimento di raccogliere con alta efficienza i dati nei Run 3 (2021-2024) e Run 4 (2028-2030), durante i quali è attesa una luminosità di circa $2 \times 10^{33} cm^{−2} s^{−1}$, cinque volte superiore a quella del Run 2. I risultati ottenuti nell’ambito della fisica del flavour potranno raggiungere una precisione molto più elevata di quella offerta dal precedente rivelatore e sarà possibile misurare parametri prima non accessibili.

Più di 20 persone contribuiscono alle attività del gruppo LHCb di Frascati. Queste includono:
– analisi dati (principalmente lo studio dei decadimenti molto rari, come il $B_{(s)} \to \mu^+ \mu^-$, e dei decadimenti semileptonici dei mesoni B e dei barioni $\Lambda_b$ attraverso i quali si può testare l’Universalità Leptonica);
– gestione del rivelatore di muoni;
– progettazione e test dell’elettronica di lettura per l’upgrade dello stesso rivelatore di muoni;
– costruzione del nuovo bersaglio fisso gassoso;
– partecipazione al progetto Real Time Analysis recentemente avviato;
– studi di fattibilità per rivelatori innovativi di muoni per l’upgrade di fase 2 di LHCb (in fase di studio la realizzazione a partire dal 2030).

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