[논문 리뷰] LHCb status and early physics prospects

M. Pepe Altarelli|CNR SOLAR (Scientific Open-access Literature Archive and Repository) (University of Southampton)|2009. 07. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

LHCb는 LHC에서 희귀 B 및 Bs 붕괴와 CP 위반을 연구하기 위해 설계된 프론트 방향 스펙트로미터로, 높은 b-쿼크 생성과 정밀한 버텍스 검출을 활용하여 새로운 물리 현상을 탐색한다. 단지 0.3 fb⁻¹의 통합 루미노미터를 통해, Tevatron의 한계를 초월하여 Bs 혼합 위상에 대한 민감도를 향상시키고, 90% 신뢰수준에서 4.7×10⁻⁸ 이하의 Bs → μ⁺μ⁻ 붕괴 분포비율을 배제할 수 있다.

ABSTRACT

LHCb is a dedicated detector for b and c physics at the LHC. I will present a concise review of the detector design and expected performance together with some first results on the commissioning of the different sub-systems based on cosmic data and particle beams delivered by the LHC during the summer of 2008. The experiment is ready to exploit first data expected from the LHC. An integrated luminosity of ~0.3fb-1, which should be collected during the first year of physics running, will already allow LHCb to perform a number of very significant mesurements with the potential of revealing New Physics effects, such as the measurement of the B_s mixing phase phi_{\Jpsiϕ}, or the search for the decay B_s->mumu beyond the limit set by CDF and D0.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 고정밀 측정을 통해 희귀 B 및 Bs 붕괴에서의 새로운 물리 효과를 조사하기 위해.
• 특히 새로운 물리 기여에 매우 민감한 CP 위반 관측량인 Bs 혼합 위상 φJ/ψφ에 대한 민감도를 향상시키기 위해.
• 매우 희귀한 붕괴인 Bs → μ⁺μ⁻를 탐색하기 위해, 이 분포비율은 특정 새로운 물리 모델(큰 tanβ를 가진 MSSM 등)에서 크게 증가한다.
• 빠른 Bs 진동을 해석하기 위해 필요로 하는 40 fs 이하의 적절한 시간 해상도를 확보하여 정밀한 CP 위반 위상 측정을 가능하게 하기 위해.
• 직접적인 새로운 물리 탐색과 함께, 전용 프론트 방향 검출기를 통해 프리미엄의 맛 감도를 가진 정밀 측정을 제공함으로써 LHC의 탐색을 보완하기 위해.

제안 방법

• 고다양성 환경에서 생성된 b 및 Bs 하드론의 붕괴 제품을 효율적으로 탐지하기 위해 1.9 < η < 4.9 범위를 커버하는 프론트 방향 스펙트로미터를 활용한다.
• 희귀 붕괴의 선택 효율을 높이기 위해 저운동량 레프톤과 강입자 붕괴 기반의 트리거 전략을 채택한다. 이는 고중첩 조건에서도 효과적으로 작동한다.
• 고정밀 버텍스 재구성 기법을 통해 약 40 fs의 적절한 시간 해상도를 확보한다. 이는 빠른 Bs 진동을 해석하는 데 필수적이다.
• 희귀 붕괴 분석에서 몬테카를로 시뮬레이션 의존도를 최소화하기 위해 제어 채널과 데이터 기반 배경 제거 기법을 사용한다.
• Bs → μ⁺μ⁻ 탐색에서 조합적 뮤온 배경을 억제하기 위해 고급 버텍싱 및 질량 해상도 기법을 적용한다.
• 빔 주입 중 구성 요소를 보호하고 고루미노미터에서 안정적인 운영을 가능하게 하기 위해 철수 가능한 실리콘 센서를 갖춘 검출기 설계를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.3 fb⁻¹의 데이터로 LHCb는 기존 Tevatron 한계를 초월하여 Bs 혼합 위상 φJ/ψφ에 대한 실험적 민감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 통합 루미노미터가 0.2 fb⁻¹ 및 3 fb⁻¹일 경우, Bs → μ⁺μ⁻ 붕괴에 대한 기대 배제 한계는 90% 신뢰수준에서 얼마인가?
• RQ3 개선된 B 붕괴 측정을 통해 LHCb는 CKM 각 γ의 불확실성을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 고중첩 조건에서 LHCb 트리거 시스템은 희귀한 순수 강입자 붕괴를 선택하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 LHCb 검출기는 약 40 fs의 시간 해상도로 빠른 Bs 메손 진동을 해석할 수 있는가? 이는 정밀한 CP 위반 측정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 0.3 fb⁻¹의 통합 루미노미터로 LHCb는 Tevatron의 예상 한계를 초월하여 Bs 혼합 위상 φJ/ψφ에 대한 통계적 불확실성을 현재의 실험 한계 이하로 낮출 수 있다.
• LHCb 검출기는 약 40 fs의 적절한 시간 해상도로 Bs 메손 진동을 해석할 수 있으며, 이는 고정밀 CP 위반 측정을 가능하게 한다.
• 희귀 붕괴 Bs → μ⁺μ⁻에 대해, LHCb는 단지 0.2 fb⁻¹의 데이터로 90% 신뢰수준에서 4.7×10⁻⁸ 이하의 분포비율을 배제할 수 있으며, 이는 Tevatron의 한계를 초월한다.
• 표준모형의 분포비율 (3.35±0.32)×10⁻⁹를 가정할 경우, 3 fb⁻¹의 통합 루미노미터로 Bs → μ⁺μ⁻ 붕괴에 대한 3σ 관측이 기대된다.
• 검출기의 버텍싱 및 질량 해상도 능력은 조합적 뮤온 배경을 효과적으로 억제하여 고감도 희귀 붕괴 탐색을 가능하게 한다.
• LHCb의 설계는 약 10 fb⁻¹의 데이터 샘플로 CKM 각 γ의 정밀도를 5배 향상시킬 수 있으며, 펭귄 지배 붕괴에서의 새로운 물리 탐색 민감도를 크게 향상시킨다.