Detectorul LHCb, producția de particule în ciocniri proton-proton la LHC pentru rapidități mari, dezintegrări ale hadronilor grei, programul de upgrade

 

Sursa de finanţare (agenţia finanţatoare):    Institutul de Fizică Atomică (IFA)

Codul proiectului:    PNCDI III, Modul CERN-RO, Program 5, Subprogram 5.2; LHCb: contract nr. 9/10.03.2020

Director de proiect:    Dr. Florin MACIUC

Instituţii:

E-mail: florin {dot} maciuc [at] cern < dot > ch

Echipa de cercetare: vezi ECHIPA în meniul de navigare pentru detalii asupra componenţei actuale .

Marea majoritatea a activitatilor in proiectul actual si din proiectele precedente sunt explicitate in detaliu in subcapitolele:
Team, Subiecte de cercetare, Sarcini de serviciu in LHCb, Seminarii de group, Participari la conferinte, publicatii, Outreach, LHCb Upgrade, Instalatii accesible din aceasta pagina.

Rezumatul Proiectului (asa cum a fost dat in aplicatia pentru finantare)

Grupurile Românești participa in colaborarea LHCb încă înainte de 2000, iar de atunci am participat la construcția spectrometrului LHCb cu un singur braț, înregistrarea datelor LHCb de coliziune proton-proton la energii in centru de masa de 0.9-13 TeV, si beneficiind de o luminozitate instantanee si cumulata mult dincolo de previziunile inițiale. Măsurările LHCb au deja un mare impact in fizica moderna iar domeniul HEP -High Energy Physics – își continua dezvoltarea spectaculoasa la LHC. Deși grupul Roman LHCb este un grup tânăr, unii membrii au început studiile la LHCb încă din 2005. Munca grupului in colaborarea LHCb a inclus un set divers de subiecte: analiza datelor, dezvoltare software si hardware, Upgrade si construcție, tematici de C&D pentru fizica detectorilor, studiul si implementarea generatorilor de particule, outreach, sarcini academice si multe alte subiecte. Propunem un nou proiect LHCb in care sa: extindem si sa perfecționăm tematica abordata in proiectul precedent; sa deschidem noi direcții de cercetare la LHCb, la CERN si in HEP pe baza studiul datelor din RUN3 al acceleratorului LHC; sa continuam munca de C&D pentru dispozitivele optoelectronice si pentru circuitele integrate; sa continuam studiul efectelor radiației in circuite si senzori. Se are in vedere contribuție la documentul de „Framework TDR” pentru faza doua de Upgrade a LHCb in contextul HL-LHC. In plus, in aplicație avem in vedere o implicare mai mare in suportul Grid pentru resursele dedicate LHCb de calcul, pentru acest lucru elaborând un plan de îmbunătățire a infrastructurii IFIN si upgrade-ul site-ului Grid Ro-11 in termeni de putere de procesare si stocare.

In studiile de dezintegrare a aromelor „charm” si „beauty”, LHCb are un program ambițios de măsurare a tranzițiilor FCNC – Flavor Changing Neutral Currrent – si a tranzițiilor cu stare finala fără număr cuantic de „charm” („BnoC”). Grupul propune un studiu a tranzițiilor FCNC cuplate cu tranzițiile BnoC echivalente, toate canalele de dezintegrare conținând stări inclusive cu particule V0, , e.g. KS plus X, unde X este un set de hadroni si leptoni. Particulele mama sunt hadroni beauty si charm. In faza incipienta a acestui studiu, propunem implementarea de linii LHCb de trigger si un studiu complementar pe date simulate sau date din RUN1 si RUN2 pentru a optimiza si dezvolta algoritmi de separare si identificare din liniile de trigger. De asemenea si are in vedere un studiu de reconstrucție a particulele V0 cu durata de vita lunga, in detectorul LHCb – așa zisul „Downstream tracking”. Alte analize propuse includ studiile de producție de stranietate si dezintegrare pentru mezoni si barioni – hiperoni Xi, Lambda, Omega. Un efort va di dedicat publicării rezultatelor obținute pe datele din RUN1 si RUN2 pentru V0 . In paralele vom participa la eforturile de calibrare si măsurare din datele LHCb timpurii in 2021. Rezultatele de măsurare a dezintegrări si producerii de mezoni si barioni vor fi incluse in bazele de date HEPData si in plugins RIVET pentru a ajuta la tunarea/optimizarea generatorilor de coliziuni gen Pythia 8.2.

Colaborarea LHCb este pe cale sa finalizeze prima faza de Upgrade pentru detectorul LHCb cu procedura de comisionare a detectorului undeva in finalul lui 2020 sau începutul 2021. Grupul are deja o activitate intensa si implicare majora in programul de Upgrade in dezvoltarea, implementarea si mai ales testarea componentelor sistemului RICH ca de exemplu PDMDB – photo detector module digital board – unde am avut câteva contribuții majore in testele de rezistenta la radiație a circuitelor integrate asociate cat si la implementarea si asamblarea acestui sistem. Pana la finalul procesului de Upgrade o sa avem o implicare in procesul de asamblare a RICH, calibrare, monitorizare si culegere de date timpurii in 2021, e.g. calibrarea PDMDB. Grupul participa la asamblarea a 50 coloane de “Photon Detector Module” (PDM) si susține activitățile hardware/firmware si asamblarea si instalarea in caverna a sistemelor RICH. In 2021 se are in vedere participarea la recalibrarea sistemului RICH si trasarea harților de eficienta (reconstrucție si identificare particule) împreuna cu testele metodelor de identificare a particulelor in noul RICH. Grupul va participa intens la monitorizarea detectorului, mentenanța si recalibrare.

Continuam munca depusa in direcția activităților de Cercetare si Dezvoltare pentru faza a doua de Upgrade, cu implicarea in elaborarea documentelor de Framework TDR. Pentru acesta continuam testele de rezistenta la radiație a unor dispozitive FPGA si senzori optoelectronici. Se are in vedere un program de investigare a viabilității unor alegeri tehnologice pentru RICH in faza a doua de upgrade. Planul include teste ale unor senzori SiPM sau echivalenți, cat si testele in laborator si in fascicol a electronicii, e.g. circuite integrate comerciale dedicate si de tip ASIC, pentru cazul circuitelor produse de grupuri asociate CERN si LHC. Acest efor include si un studiu al mediului radioactiv preconizat pentru faza 2 LHCb in caz HL-LHC.

Proiectul include si un proces de reechipare si upgrade pentru site-ul Ro-11 de Grid dedicat colaborării LHCb. Se urmărește creșterea performantei de calcul prin includerea de 100 unități noi de procesare (~ 100 CPU-cores) si upgrade-ul de la un sistem de tip Grid Tier-2 la un sistem Grid Tier-2D . Acest Upgrade presupune instalarea a noi sisteme de stocare si asigurarea a aproximativ 400 TB de spațiu de disc. Activitățile de „Outreach” si „Computing” vor continua in special pentru software-ul si reconstrucția LHCb. Se da ca obiectiv imediat, angajarea de noi studenți si doctoranzi pentru a creste impactul grupului in domeniile abordate si a creste impactul in colaborarea LHCb

Obiectivele de proiect:

Continuarea analizei datelor LHCb RUN1 si RUN2;

Noi studii de productie a hadronilor in coliziuni LHC proton-proton la 13 TeV si analiza simularile dezintegrarilor hadroniclor grei in canale de dezintegrare cu probabilitati foarte mici - studiu pe date produse de generatori de coliziuni;
Grid si LHCb Computing - activitati si sarcini de colaborare;

Activitati de asamblare, testare, calibrare si "commisioning" in LHCb Upgrade faza 1 - sudetectorii RICH1/RICH2;

Activitati de C&D in vederea fazelor 1b si 2 de Upgrade a detectorului LHCb - continuarea analizelor datelor de testare a circuitelor integrate si a senzorilor optoelectronici la LHCb si la experimente HEP in general;

Publicarea de rezultate pentru studiile desfasurare si popularizarea acestora, activitati didactice si de outreach.

Lista de activitati si subcapitole pentru 2020-2021 asa cum a fost data in propunerea de project

I. LHCb Upgrade si publicarea rezultatelor obtinute cu datele din RUN2, implementarea unui trigger pentru dezintegrari FCNC/BnoC, studii de generatori, HEP "computing" si "outreach":

I.1 Asamblarea a 50 de coloane RICH, testarea, instalarea si comisionarea sistemului RICH Upgradat, calibrarea si comisionarea LHCb;

I.2 Activitati C&D si a doua faza de Upgrade a detectorului LHCb;

I.3 Analizele de fizica pe datele din RUN2 si publicarea rezultatelor, implementarea trigger-elor, studiile generatorilor fi fizicii asociate.


II. Calibrarea detectorului LHCb, mentenanta, optimizarea trigger-ului, determinarea eficientelor din date, reconstructia particulelor si urmelor in studii Min Bias pentru detectorul nou, publicarea primelor rezultate in RUN3, activitati C&D:

II.1 C&D pentru Upgrade faza II, calibrarea LHCb si mentenanta, studii de imbatranire a detectrorului;

II.2 Tuning pe directia inainte pentru PYTHIA 8; optimizarea trigger-elor pentru dezintegrari FCNC, primele analize a datelor RUN3, studii de reconstructie pe datele noi si comparatii date simulare;

II.3 Responsabilitati de "computing" in LHCb, HEP data si RIVET, Outreach, Grid computing - imbunatatirea si expansiunea Ro-11 si a resurselor de calcul a grupului.