LHCb

LHCb

STAFF

Alessandro Bertolin (INFN), Giovanni BusettoGianmaria Collazuol, Alessio Giannelle (INFN), Donatella Lucchesi, Mauro Morandin (INFN), Gabriele Simi

BORSISTI

Stefano Gallorini, Anna Lupato, Lorenzo Sestini

Attività di ricerca

L'esperimento LHCb (Large Hadron Collider beauty) è uno dei sette rivelatori di particelle che raccolgono dati all'acceleratore Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra. LHCb è specializzato nella fisica dei quark bottom (b) e charm (c); l'obiettivo principale è la misura dei parametri di violazione di CP negli adroni b (particelle composte che contengono un quark b). Questi studi possono aiutarci a spiegare l'asimmetria materia-antimateria dell'Universo. Il rivelatore è inoltre in grado di misurare le sezioni sezioni d'urto di produzione di diversi processi, inclusi quelli di Fisica Elettrodebole, che avvengono nella regione in avanti delle collisioni protone-protone. Circa 1100 persone da 60 istituti scientifici, che rappresentano 17 paesi diversi, formano la collaborazione che ha costruito ed utilizza il rivelatore.


Principali filoni di ricerca


Misure dell'angolo CKM γ

(A. Bertolin)
La comprensione dell’asimmetria barionica dell’Universo è uno dei problemi fondamentali della fisica moderna. Sakharov ha mostrato che questa asimmetria può avere origine se tre condizioni sono verificate. Una di queste condizioni risiede nella violazione delle simmetrie di coniugazione di carica (C) e coniugazione di carica - parità (CP). Quest’ultimo fenomeno ha origine nel Modello Standard (MS) come conseguenza della presenza di una fase complessa nella matrice di mixing dei quark, la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), anche se va precisato che l’effetto predetto dal MS non è abbastanza grande da spiegare l’asimmetria barionica dell’Universo. La violazione di CP può essere studiata misurando gli angoli dei triangoli che derivano dalle condizioni di unitarietà della matrice CKM. L’angolo con la maggiore incertezza, γ ≡ arg[−Vud Vub*/ Vcd Vcb*], può essere misurato in modo diretto usando solo diagrammi dell’ordine più basso, diagrammi ad albero. Questa misura, assumendo l’assenza di nuova fisica nei diagrammi ad albero, ha incertezze teoriche trascurabili. Ogni disaccordo tra misure dirette di γ e le determinazioni indirette ricavate da fit globali, ottenuti seguendo la parametrizzazione CKM e assumendo la validità del MS, mostrerebbe l’esistenza di nuova fisica oltre il MS. Il valore di γ può essere ottenuto dall’interferenza tra le ampiezze di transizione b → cW (Vcb) e b → uW (Vub), dove la prima ampiezza é “maggiore” rispetto alla seconda, da cui il nome di ampiezze favorite e soppresse. Il canale di decadimento B0s → Ds K± è uno dei canali favoriti per questa misura. Il gruppo di Padova dell’esperimento LHCb ha collaborato alla misura di γ usando questo canale di decadimento. Recentemente sono stati pubblicati i risultati dell’analisi estesa a tutti i dati del Run 1 di LHCb, corrispondenti ad una luminosità pari a 3 pb-1. Il gruppo di Padova coordina anche un’analisi simile che sfrutta il canale di decadimento B0s → Ds*∓ K±. Questo canale ha un numero di eventi di segnale a parità luminosità più basso rispetto al canale precedente, principalmente a causa della difficoltà di ricostruzione del decadimento Ds*∓ → Ds γ ad un collisore adronico come LHC. Comunque, l’analisi di un canale di decadimento complementare offre una possibilità unica di verificare i risultati ottenuti dal canale favorito, B0s → Ds K±.


Fisica dei getti prodotti da quark bottom e charm

(D. Lucchesi, L. Sestini, A. Gianelle)
L’obiettivo principale di LHCb è lo studio della Fisica dei quark bottom (b) e charm (c). Questi due quark sono considerati la chiave per osservare fenomeni di Nuova Fisica, come il decadimento di nuove particelle in un quark b ed in un quark anti-b. I quark liberi prodotti ad LHC si legano istantaneamente in particelle composte, producendo sciami di particelle chiamati getti, che sono rivelati dai tracciatori e dai calorimetri di LHCb. Il gruppo di LHCb-Padova è in prima linea nella ricostruzione ed identificazione dei getti. Uno dei nostri obiettivi è misurare le proprietà cinematiche della produzione bb e cc nella regione in aventi delle collisioni p-p: questo è importante per studiare la teoria perturbativa della Quantum Chromo Dynamics (QCD) in una regione dello spazio delle fasi complementare a quella degli altri esperimenti ad LHC, dove le incertezze teoriche sono ancora grandi. Ci dedichiamo poi alla ricerca di particelle scalari simili all’Higgs che decadono in H→ bb e H→cc. Queste ricerche sono molto complesse a causa dell’alto fondo di getti prodotti nei processi di QCD. Abbiamo già dimostrato l’efficacia delle nostre tecniche di ricostruzione misurando la ben nota risonanza Z→bb . Inoltre stiamo sviluppando nuovi ed efficienti algoritmi di identificazione dei getti, che ne analizzano la struttura per identificare il sapore dei quark che li hanno generati. Per fare questo stiamo ricorrendo alle Deep Neural Network, che rappresentano l’avanguardia delle tecniche informatiche di Intelligenze Artificiali.


Test dell’universalità leptonica

(G. Simi, A. Lupato)
L’universalità leptonica (LFU) implica l’uguaglianza degli accoppiamenti tra bosoni di gauge e le tre famiglie di leptoni. Questo comporta che i rapporti dei decadimenti che coinvolgono i leptoni non dipendono dal loro sapore, ma differiscono soltanto per differente spazio delle fasi e per contributi ad elicità soppressa. I decadimenti semileptonici e rari degli adroni pesanti sono un ottimo laboratorio per testare l’universalità leptonica, poichè permettono di accedere a tutte e tre le generazioni di leptoni. L’universalità leptonica è una proprietà del Modello Standard (SM) e pertanto, ogni violazione sarebbe un chiaro segno di nuova fisica. Negli anni, LFU è stata testata e ha dimostrato di essere accurata in parecchi sistemi, fornendo limiti stringenti. Ad oggi, esistono numerosi modelli di estensione del MS che contemplano la violazione dell’universalità leptonica e che in particolare prevedono effetti maggiormente visibili negli decadimenti che coinvolgono la terza generazione di leptoni. I rapporti tra le probabilità di decadimento, in particolare, rappresentano un potente test dell’LFU, poichè si cancellano le incertezze teoriche nelle previsioni e le sistematiche sperimentali sono molto ridotte. LHCb, usando i dati del run I, ha già eseguito questa misura nel settore dei decadimenti rari, che è risultata 2.6σ compatibile con le previsioni del MS. Nel settore dei decadimenti semileptonici, LHCb ha eseguito la misura di R(D*) = B(B→ D*µν)/B(B→ D*τν), dove sono considerati sia i decadimenti adronici che muonici del tau. La media (HFLAV) di questi risultati combinati con le misure di R(D), eseguite alle B-factories, è 4.1σ rispetto alle predizioni del MS. Il gruppo LHCb di Padova sta effettuando la misura di R(Λc*)=B(Λb→ Λc*µν)/B(Λb→ Λc*τν), dove τ→µνν. Questa misura è di grande interesse al fine di confermare o confutare le discrepanze rispetto alle previsioni del SM, trovate nelle analoghe misure eseguite nel settore mesonico. Inoltre, questa è la prima misura focalizzata sui decadimenti barionici. Il gruppo LHCb di Padova, sta collaborando anche alle misure dei fattori di forma Λb→ Λc* e alla misura del rapporto di decadimento B(Λb→ Λc*Ds), entrambe misure accessorie a R(Λc*).


Ring-imaging Cherenkov detector (RICH)

(G. Simi, S. Gallorini, A. Lupato)
I rivelatori RICH di LHCb sono costruiti per l'identificazione delle particelle cariche e sono posizionati su entrambi i lati del magnete di LHCb, in modo da intercettare a varie angolazioni le particelle prodotte nelle interazioni. I rivelatori RICH funzionano misurando la luce Cherenkov emessa quando una particella carica attraversa un determinato materiale (in questo caso, un gas denso) con velocità superiore a quella della luce nel mezzo. Mentre viaggia, la particella emette un cono di luce, che i rivelatori RICH riflettono su una serie di sensori tramite specchi. La forma del cono di luce dipende dalla velocità della particella, consentendo al rivelatore di misurarla. Questa informazione può essere combinata con la traiettoria delle particelle per dedurne la loro identità. I due rivelatori RICH sono responsabili per l'identificazione di diverse particelle che risultano dal decadimento dei mesoni B, inclusi pioni, kaoni e protoni. Il gruppo LHCb Padova è coinvolto nella costruzione dei nuovi rilevatori RICH per l'upgrade dell'esperimento nel 2021. Il gruppo sta lavorando ai test e alla caratterizzazione dei PMT multi-anodo (MaPMT) e alla costruzione delle cold-bars nelle quali verranno montati i MaPMTs. Inoltre, Padova partecipa ai test-beams del CERN per la messa in servizio del sistema di acquisizione RICH (DAQ) e nell'analisi dei dati acquisiti. In particolare, il gruppo di Padova sta lavorando alla procedura per impostare il punto di lavoro ottimale in cui i MaPMT opereranno durante il Run3.


Timespot

(G. Collazuol, G. Simi)
Le alte luminosità richieste per i collider delle prossime decadi comportano elevate prestazioni dei sistemi di ricostruzione dei vertici in termini di risoluzione spaziale (decine di μm), resistenza alle radiazioni (1016 1 MeV neq cm-2 e qualche Grad), capacità di trasmissione (Tbit/s). Il pile-up previsto (circa 100) necessita di raggiungere un'elevata risoluzione temporale (100 ps) già al livello del singolo pixel. Queste richieste spingono verso nuove tipologie di rivelatori di vertici, dove tutte queste caratteristiche sono contemporaneamente presenti. La sezione INFN di Padova è coinvolta nella collaborazione TIMESPOT (INFN Call Gr V), che ha lo scopo di finalizzare le esistenti tecnologie nella direzione di un innovativo apparato di tracciatura. In particolare, il team di Padova lavorerà sulla caraterizzazione dei sensori al silicio e sulla validazione dei parametri funzionali (efficienza della raccolta di carica, risoluzione temporale intrinseca, resistenza alla radiazione ). I sensori al silicio 3D sono una delle due soluzioni che si stanno investigando per il progetto di TIMESPOT. Con la presente proposta, noi stiamo pianificando di usare l’AN-Microbeam facility, presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell'I.N.F.N., al fine di investigare i sensori 3D in termini di performance temporali e di carica in funzione della posizione della particella, così come lo studio dell’effetto di un danno nel substrato di silicio.