ניסוי LHCb

סמל הניסוי

ניסוי LHCb (באנגלית: Large Hadron Collider beauty) הוא אחד משבעה ניסויים בתחום פיזיקת החלקיקים אשר מפיקים נתונים מהתנגשויות חלקיקים שמואצים במאיץ LHC במרכז CERN לחקר חלקיקים שעל גבול צרפת–שווייץ. הניסוי נועד לספק הסבר פיזיקלי לחוסר הסימטריה בין כמות החומר לכמות האנטי-חומר ביקום – אחת השאלות הפתוחות המרכזיות בתחום פיזיקת החלקיקים כיום.

הניסוי מנסה לענות על מטרותיו בעזרת חקר התנגשויות בין מזונים – חלקיקים אלמנטריים המורכבים מקווארק יחיד ומאנטי-קווארק המתאים לו. בניסוי LHCb בוחנים בפרט מזוני B, שהם מזונים המכילים אנטי-קווארק מסוג "תחתון". מזונים אלה, יחד עם האנטי-חלקיקים המתאימים להם, אינם קיימים ביקום, וכיום מקובל להאמין שחלקיקים אלה דעכו זמן קצר לאחר המפץ הגדול. מחקר חוזר של דעיכות מזוני B בתנאים מבוקרים בניסוי עלול להניב רמזים הנוגעים למקור שבירת הסימטריה בין החומר לאנטי-חומר ביקום.

את גלאי LHCb מתפעלים וחוקרים כ-840 מדענים מ-60 מוסדות מדע, המייצגים 16 מדינות שונות. ניסוי LHCb ממוקם מתחת לעיר פרני-וולטר, על הגבול בין צרפת לעיר ז'נבה.

מטרות פיזיקליות

מטרת הניסוי העיקרית היא לפתור את סוגיית אי-הסימטריה בין החומר ובין האנטי-חומר ביקום: להבין מדוע נעלם האנטי-חומר זמן קצר לאחר היווצרות היקום ומדוע כל מה שאנו מכירים כיום מורכב מחומר בלבד. לשם כך, ניסוי LHCb מכסה מגוון רחב של היבטים חשובים של פיזיקת קווארקים כבדים ("תחתון" ו"קסום"), של הכוח האלקטרו-חלש ושל כרומודינמיקה קוונטית, המסבירה את מקור הכוח החזק. עד היום נמדדו בגלאי מספר מדידות מפתח הכרוכות במזוני B. מדידות אלה מתועדות בתוכנית העבודה של פעילות מאיץ LHC הראשונה, בין השנים 2010–2012, ובהן:

• מדידת יחס ההסתעפות של התפרקות מזוני B נדירים לקווארקים בודדים −Bs → μ+ μ.
• מדידת אסימטריה של זוגות המיואונים הנוצרים בהתפרקות −Bd → K* μ+ μ תחת זרם משנה-טעם, זרם אשר טרם נצפה בטבע. תכונותיו של פירוק זה ניתנות להגדרה על ידי תאוריות פיזיקליות חדשות.
• מדידת שלב שבירת סימטריית CP בפירוק Bs → J/ψ φ כתוצאה מהפרעה של פירוקים עם וללא המרת חלקיקי Bs. שלב זה הוא אחד מהנצפים ביותר בתחום חקר סימטריית ה-CP וגם בעל פערי המידע התאורטי הקטנים ביותר במודל הסטנדרטי, ולכן ניתן להגדרה באמצעות פיזיקה מודרנית.
• מדידת התכונות של התפרקויות מזוני B שפולטות קרינה.
• פירוקים של דו-גופים טעונים מסוג B שאינם מכילים קווארק מסוג "קסום".

גלאי LHCb

תהליך האצת החלקיקים במאיץ LHC מתוכנן כך שאלומות חלקיקים יתנגשו אחת בשנייה אך ורק בחלקים מסוימים של המאיץ. גלאי LHCb נבנה באחת מנקודות ההתנגשות במטרה לאסוף מהן מידע. בשונה מגלאים אחרים, המורכבים לרוב ממבנה מעגלי יחיד העוטף את נקודת ההתנגשות, לגלאי LHCb מבנה ייחודי, הנפרש לאורך מסלול התנועה של החלקיקים. הגלאי נפרש לאורך של 21 מטר, לגובה של 10 מטר ולרוחב של 13 מטר. משקלו הכולל של הגלאי הוא 5600 טון.

החלקיקים שנוצרים כתוצאה מהתפרקות מזוני B נעים בזוויות קטנות יחסית לאלומת הפרוטונים שעוברת במאיץ, ועל כן הניסוי כולו נבנה לאורך צינור הפרוטונים, ולא מסביב לנקודת האינטראקציה כמו בניסויי ATLAS או CMS. הגלאים השונים בניסוי משמשים לאיתור הנקודה המדויקת בה המזונים מתפרקים ולזהות את החלקיקים שנוצרים בתהליך זה. מדידת אופני ההתפרקות השונים מאפשרת חישוב של תכונות של שבירת סימטריית CP.

רכיבים ותת-מערכות

בגלל אופי התנועה המיוחד של החלקיקים, ניסוי LHCb משתמש בגלאים רבים הפרושים לאורך מאיץ LHC. כאשר משלבים את המידע המופק מכל גלאי, מתקבלים נתונים על תכונות רבות (למשל: תנע ואנרגיה) של מכלול החלקיקים הנוצרים בהתנגשות וגם על תכונות של כל חלקיק בודד.

חתך של מבנה הגלאי

גלאי קודקודי

סביב נקודת ההתנגשות עצמה בנוי הגלאי הקודקודי VELO (ראשי תיבות של "Vertex Locator"). תפקידו של VELO הוא לבחור ולסנן מזוני B מתוך אוסף החלקיקים הנוצרים בהתנגשות. לצורך כך ממוקמים רכיבי הסיליקון של VELO במרחב חמישה מילימטרים מההתנגשות. בגלל המרחק המזערי של הגלאי מקרן החלקיקים נבנה מנגנון מיוחד להגנה על הרכיבים הרגישים של הגלאי. המנגנון מסוגל לקלוט מתי החלקיקים מתייצבים לאחר ההתנגשות ורק לאחר מכן לקרב באופן מכני את רכיבי VELO ולאפשר להם לתור אחר מזוני B.

גלאי RICH

לאחר הגלאי הקודקודי ממוקמים שני גלאי RICH, ומטרתם לזהות שטפי קרינה הנוצרים כאשר חלקיקים נעים במהירות גבוהה במיוחד. תנועת חלקיק שנע במהירות קרובה למהירות האור פולטת שטפי אור, אותם מנתבים באמצעות מערך מראות לתוך הגלאי. לפי ניתוח צורת שטפי האור ניתן לקבוע את מהירות החלקיק. לאחר מכן מסוגלים מדענים לשלב את הממצאים הללו עם מסלול החלקיק לצורך חישוב מסתו ומטענו, הקובעים את זהותו.

יחידת מעקב ראשית

יחידת המעקב הראשית ממוקמת סביב דיפול מגנטי. היחידה משמשת לשחזור מסלולים של חלקיקים טעונים ומנצלת את השבלים שהם משאירים אחריהם כשהם עוברים דרך חומרים שונים. יחידת המעקב משלבת בתוכה שני מנגנונים חדשניים:

• גלאי סיליקון – ממוקם קרוב לקרן החלקיקים ומשתמש ברצועות סיליקון כדי לגלות חלקיקים שעוברים בהן ומבצעים אינטראקציה עם אטומי הסיליקון.
• גלאי חיצוני – ממוקם רחוק מקרן החלקיקים ומורכב מאלפי צינוריות מלאות בגז. חלקיקים שעוברים בגז מייננים אותו, ומעקב אחרי האלקטרונים הנוצרים מתהליך היינון מאפשר את קביעת מסלול החלקיק שעבר בגז.

קלורימטרים

בגלאי LHCb מותקנים קלורימטרים אלקטרומגנטיים והדרוניים. אלה הן שכבות בגלאי שמטרתן למדוד את אנרגיה של אלקטרונים, של פוטונים ושל הדרונים הנוצרים בהתנגשויות במאיץ. הקלורימטרים בנויים משכבות רבות של מתכת ושל פלסטיק, וכאשר חלקיקים עוברים דרך שכבות אלה הם יוצרים שטפים של חלקיקים משניים הניתנים למעקב.

מערכת למדידת מיואונים

איתור וסיווג מיואונים הוא חלק חשוב בפעולת גלאי LHCb משום שחלקיקים אלה נוצרים בשלבים הסופיים של התפרקות מזוני B ומספקים מידע חיוני במדידות חוסר סימטריית CP. המיואונים הם חלקיקים שמגיבים באופן חלש למכשירי קלורימטר, ולכן הותקנה בגלאי מערכת מדידה נפרדת. המערכת בנויה מ-5 שכבות מלבניות המכילות חללים מלאים בצירופים שונים של גזים. מיואונים שעוברים בשכבות השונות מגיבים עם החומרים שהן מכילות, ותגובות אלו מנותחות באמצעות אלקטרודות לקבלת מידע על תנועת החלקיקים.

הישגים

במהלך פעילות מאיץ LHCb בשנת 2011 (פעילות אשר נמשכה 180 ימים רצופים ובמהלכה נערכו כ-400 טריליון התנגשויות פרוטונים), נרשמה בגלאי התנגשות באנרגיה של TeV 7 בשטח של 1 פמטובארן שהניבה מידע רב. בשנת 2012, בהתנגשות של 8 TeV, נרשמה תוצאות זהות בשטח של כ-2 פמטובארן. נתונים אלה אפשרו למדענים לבצע מדידות מדויקות רבות הנוגעות למודל הסטנדרטי. ניתוח הממצאים של אותן מדידות גילה עדויות לקיומן של התפרקויות Bs → μ μ תחת הזרם משנה-הטעם, התפרקויות שלא נחשבו עד אז לאפשריות. קיומן של התפרקויות אלה משפיע במידה ניכרת על מרחב האפשרויות של עקרון הסופר-סימטריה. שילוב של ממצאי LHCb עם ממצאים מניסוי CMS אפשרו למדענים במרכז CERN למדוד בצורה מדויקת התפרקות של מזוני B למיואונים.

גלאי LHCb אפשר מחקר של שבירת סימטרית CP במגוון מערכות חלקיקים, כגון: מזוני B, קאונים ומזוני D. באריונים חדשים מסוג Xi נצפו בגלאי בשנת 2014. במה שנחשב ל"תגלית לא מתוכננת" נחשף בניסוי LHCb קיומם של חלקיקי פנטאקווארק "קסום" כתוצאה מניתוח ההתפרקות של באריונים מסוג "למבדה".  

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא ניסוי LHCb בוויקישיתוף

• ניסוי LHCb, ברשת החברתית אקס (טוויטר)