LHCb, producţia de particule pe direcţia înainte, dezintegrări ale hadronilor grei şi fazele de upgrade ale detectorului în era HL-LHC

in English  in Romanian

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

Codul proiectului:    PN IV, Module CERN-RO, Subprogram 5.9.2, Project 9/25.11.2024; LHCb: contract no. 08/25.11.2024 (Dec, 2024 - 31.12.2026)

Director de proiect:    Dr. Florin MACIUC

Instituţii:

Coordonator:Institutul Naţional pentru Fizică şi Inginerie Nucleară "Horia Hulubei" (IFIN-HH),
30 Reactorului, P.O.B. MG-6, RO-077125, Bucharest-Măgurele, Romania, EU
Partener:Universitatea Ştefan cel Mare din Suceava (USV), Str. Universităţii 13, RO-720229 Suceava, România, EU

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 (așa cum a fost dat în aplicația pentru finanțare)

Colaborarea LHCb (din care grupul nostru face parte) se pregătește de al treilea RUN al LHC iar noile date experimentale vor fi înregistrate cu un detector LHCb nou. Dat fiind că majoritatea echipamentelor sunt pregătite și în curs de instalare sau deja instalate în caverna LHCb, așteptăm achiziționarea primelor date relevante în primul semestru al lui 2022. Primul test al fasciculului LHC a fost efectuat în octombrie, iar subdetectorul RICH2 a fost capabil să înregistreze un prim set de date. Detectorul LHCb anterior a colectat un volum de date corespunzător unei luminozități integrate (în timp) de aproximativ 9 fb-1 majoritatea eșantioanelor la energii de coliziune proton-proton de 13, 8 și 7 TeV. Sperăm ca următorul detector LHCb să înregistreze mai mult de 30 fb-1 înainte de instalarea HL-LHC. Proiectul propus aici are ca scop suportul pentru: comisionarea LHCb și activitățile de mentenanță din 2022, în 2023-2024 accentul fiind pus pe susținerea operării detectorilor LHCb RICH pe parcursul RUN3 - al treilea RUN al LHC. Pe lângă comisionarea LHCb, mentenanță și operare, ne propunem activități corelate cu viitorul Upgrade al LHCb RICH pentru RUN4 (faza de Upgrade Ib a LHCb) și pentru RUN5 (faza de Upgrade II a LHCb). Aceste activități vor include caracterizarea senzorilor Photon Counter (numărătoare de fotoni) precum și a circuitelor integrate de mare precizie luate în considerare pentru faza II de Upgrade a LHCb. Vor fi efectuate deasemenea teste ale acestor senzori și circuite integrate în condiții speciale de temperatură și radiație. De exemplu, una dintre soluțiile tehnice propuse pentru faza II a LHCb Upgrade implică operarea electronicii (ce deservește detectorul) RICH la -70 grade Celsius pentru a susține operarea senzorilor de fotoni într-un mediu de radiație cu fluxuri de aprox. 1013 HEH/cm2 (HEH - High Energy Hadrons - hadroni de energie înaltă peste valoarea de 20 MeV) și fluxuri mult mai înalte de neutroni. Scopul nostru este să înțelegem particularitățile operării acestor senzori și a circuitelor integrate aferente în aceste condiții extreme pentru a putea propune o soluție tehnică pentru îmbunatățirea RICH care să permită determinarea precisă a semnalului în timp cu o rezoluție de 100 ps sau mai bună ținând cont de granularitatea ridicată de senzorilor de fotoni - dimensiunea pixelilor și densitatea acestora care trebuie să fie mult mai bună decât valorile atinse de detectorii instalați ăn cadrul Upgrade-ului curent.

Programul propus în cadrul acestui proiect pentru activități de procesare și analiză de fizică a datelor include finalizarea studii producției de stranietate ce au fost incluse în tezele de doctorat anterioare. Aceste studii sunt în principal axate pe masurători ale secțiunilor eficace diferențiale ale particulelor V0 și hiperonilor la rapidități înalte - secțiuni diferențiale ce acoperă domeniul de impuls tranversal foarte mic peste 30 MeV unde descrierea proceselor soft-QCD este slab constrânsă de măsurătorile din trecut. În acest caz beneficiem de avantajul oferit de timpul de viață lung al particulelor și mai ales geometria (detectorului) LHCb. Un alt set de activități pe care dorim să le abordăm în cadrul acestui proiect este legat de producția de quarkonia - în principal charmonium și bottomonium - și studiul constrângerilor parametrilor de generator folosind măsurări ale producției de stranietate în evenimente ce conțin particule J/ψ, Upsilon sau bozonul Z. În acest context prevedem că vom căuta semnale de producție a perechilor de hadroni quarkonia și V0/hiperon și vom analiza posibilele corelații între aceste particule. Măsurătoarea densității de particule J/ψ și Upsilon produse în ciocnirile proton-proton de la LHC este un alt subiect de interes care ne-ar aduce în colaborare cu alte institute (științifice). Pe lângă acest studii vom încerca posibila implicare în grupuri de lucru LHCb ce studiază canale de dezintegrare cheie ale barionilor cu aromă grea și spectroscopia acestora. Asemănător proiectelor LHCb anterioare vom urmări efectuarea studiilor de modele de generare și optimizarea generatorilor de eveniment independent de programul colaborării. Utilizând baze de date dedicate măsurătorilor de fizică a energiilor înalte precum HEPData.net vom testa validitatea anumitor modele implementate în generatori de eveniment în special în domeniul rapidităților înalte. Aceste activități ajută la dezvoltarea de unelte de analiză, producerea de eșantioane de date simulate pentru analizele de date LHCb propuse anterior și ne permit să îmbunătățim înțelegerea fizicii subiacente pe care o observăm în datele experimentale ale LHCb. Ne așteptăm ca partenerii de la Universitatea din Suceava să se implice masiv în acest context și astfel grupul nostru ar putea genera un flux de postere și prezentări la conferințe și articole științifice.

Suplimentar analizelor LHCb și a programului de lucru prezentat, grupul nostru este implicat în activitățile proiectului LHCb Simulation - asemănător celei din proiectul RICH - și alte activități LHCb. Oferim suport pentru servicii computaționale ale colaborării LHCb, de exemplu servicii oferite pentru HEPData, dezvoltare de software, ture de monitorizare a rețelei Grid și de verificare a calității datelor, referarea internă a analizelor de fizică, referarea articolelor științifice (în cadrul procesului de pregătire pentru jurnal), activități academice (e.g. teze de doctorat LHCb), popularizarea științei. Toate aceste activități sunt efectuate suplimentar celor de mentenanță și operare a RICH care ne așteptăm să fie foarte solicitante de parcursul anilor următori dat fiind că s-au observat deja multe defecte de fabricare în sistemele RICH testate. Prin urmare operațiile de calibrare și înțelegerea noului detector vor fi principalele obiective ale RUN3. Menționăm deasemenea și maparea eficienței de reconstrucție a traselor ce va fi efectuată folosind dezintegrări ale particulelor V0 prin asocierea segmentelor de trasă înainte și după magnetul spectrometrului pentru una dintre particulele fiică. Astfel ne propunem o implicare semnificativă în măsurătorile folosind primele date din 2022 urmată de prezentări la conferințe și popularizare/publicizarea primelor rezultate LHCb și a performanțelor detectorului.

Obiectivele de proiect:

Obiectivele generale ale experimentului LHCb cuprind măsurarea precisă a parametrilor cheie ai Modelului Standard (MS) cu speranța de a observa deviații majore de la valorile așteptate pentru aceștia (estimate pe baza MS), deviații ce ar confirma contribuții de la fenomene fizice neprevăzute de MS. Măsurătorile de precizie se folosesc de anumite canale de dezintegrare ale hadronilor beauty și chiar charm pentru a estima valorile parametrilor MS ca de exemplu elementele matricei CKM sau magnitudinea încălcării simetriilor CP. Programul complet de fizică al LHCb este totuși mulyt mai extins și cuprinde mult mai multe măsurători a producției de particule și ale dezintegrărilor acestora. Din punctul de vedere a subiectelor de fizică abordate, programul include de la măsurători de producție ale bozonilor electroslabi la studiul proceselor central exclusive, i.e., măsurători ale proceselor difractive. Studiile de dezintegrări în acceptanța LHCb pe direcția înainte și datorită eficienței deosebite ale declanșatoarelor (trigger-elor) beauty au condus la descoperiri importante precum stările cuantice de cinci si patru cuarci. Parametrii de oscilație ale mezonilor beauty au fost mai bine determinați în valoare sau domeniu de variație și de curând au fost deasemenea descoperite și oscilații ale mezonilor D. Noi particule au fost observate clar pentru prima dată precum stările cuantice cu doi cuarci charm. Prin urmare programul științific al LHCb este caracterizat de o combinație între cercetările exploratorii pentru descoperirea de particule exotice, măsurători precise ale parametrilor MS - e.g., diferența de masă între mezonii B neutrii sau testarea universilității leptonilor - și măsurători de producție de particule.

Pe lângă programul de fizică al LHCb trebuie menționat și detectorul LHCb însuși. Detectorul LHCb este un spectrometru cu un singur braț pe direcția înainte complet instrumentat pentru a detecta și reconstrui particule emise la rapiditități relativ mari între 2 și 5. Detectorul include un locator precis al punctului de interacție primar al coliziunii completat de un sistem de reconstrucție a traselor plasat după un magnet și un sistem de identificare a particulelor format din RICH, calorimetre si detectori de miuoni. Detectorul a fost îmbunătățit iar majoritatea subdetectorilor sunt complet sau parțial instalați în caverna LHCb. Ferma online de computere și sistemele de achiziție de date sunt aproape gata pentru înregistrarea de date experimentale în primul semestru al lui 2022. Procesul curent de îmbunătățire reprezintă apogeul mai multor ani de cercetare și dezvoltare pentru fiecare subsistem LHCb. Deși prezentul Upgrade abia a fost finalizat LHCb deja a trimis către CERN propunerea pentru calendarul următoarei faze de Upgrade pentru perioadele de repaus ale accelaratorului LS3 și LS4. Dat fiind că semnale de fizică nouă nu au fost observate la LHC până în prezent, și la nivel practic, în timpul LS3 este programată instalarea accelaratorului LHC de înaltă luminozitate (HL-LHC), colaborarea LHCb consideră un obiectiv destul de urgent cercetarea și dezvoltarea unor sistem noi de detecție folosind senzori și electronică de ultimă generație cu scopul de a ansambla un spectrometru pe direcția înainte capabil să opereze la nivelul de 40 de coliziuni LHC la fiecare intersecție de nori protonici. Această limită superioară aduce constrângeri dure asupra rezoluției temporale și a granularității detectorilor RICH1 și RICH2 și constrângeri asemănătoare pentru celelalte subsisteme LHCb. În plus față de aceste constrângeri, caracteristicile excesive ale radiației HL-LHC exclud folosirea majorității soluțiilor comerciale și cerințe speciale trebuie impuse senzorilor și electronicii primare. În cazul RICH, fluența de 1013 HEH/cm2 și fluența mult crescută a neutronilor de 1 MeV echivalenți impun ca detectorii de fotoni SiPM propuși să funcționeze la -70 de grade Celsius împreună cu electronica primară. Detectorul LHCb din a treia perioadă de funcționare a LHC va trebui să fie menținut și operat în condiții complet noi cu o luminozitate instatanee mare și deci o multiplicitate înaltă de particule la fiecare intersecție a norilor din fasciculele LHC.

Suportul computațional pentru fizică este bine dezvoltat în cadrul colaborării LHCb și include proiecte ca: Online și sistemele de declanșatoare (trigger) ce vor funcționa ca primul stadiu al declanșatorului de achiziție de date implementat prin procesare în GPU; proiectul Simulation responsabil printre altele de dezvoltarea optimizări ale generatorilor de eveniment folosind măsurători LHCb în domeniul din spațiul fazelor definit de direcția înainte în rapiditate și impuls transversal mic; sistemul computațional distribuit de tip Grid; și software-ul LHCb de reconstrucție și analiză precum și proiectele aferente.

Suplimentar față de aceste aspecte trebuie aduse în prim plan și programele LHCb de popularizare și activitate academică evidențiate de fracția mare de autori LHCb cu doctorat în fizică și cele aproape 600 de publicații științifice ale LHCb până la momentul redactării acestui material.

Lista de activitati si subcapitole pentru 2022-2024 (conform propunerii de project)

I. Continuarea analizei datelor LUCb din RUN2. Teste ale SiPM, ASIC și FPGA. Procesarea datelor RUN3 și studii preliminare - Partea I.

II. Continuarea analizei datelor LUCb din RUN2. Teste ale SiPM, ASIC și FPGA. Procesarea datelor RUN3 și studii preliminare - Partea II-a.

II.1. Testări ale ASIC și FPGA, primele teste ale Photon Counters (numărătoarelor de fotoni). Finalizarea comisionării (dării în folosință) a sub-detectorului RICH/LHCb, Operare și mentenanță RICH în RUN3
II.1.1. Publicații ale analizelor datelor de testare pentru FPGA-urile cu SRAM și antifuse. Pregătirea viitoarelor testări ale senzorilor și circuitelor integrate pentru implementarea Upgrade-urilor ulterioare (ale detectorului)
II.1.2. Darea în folosință completă a sub-detectorului RICH/LHCb, mentenanța și operarea RICH în 2022

II.2. Continuarea analizelor RUN2 și finalizarea procedurilor de publicare a studiului de producție de stranietate. Optimizarea trigger-ului pe date pentru RUN3 și înregistrarea de date (experimentale).
II.2.1. Finalizarea procedurilor de publicare și referarea internă a colaborării LHCb pentru rezultatele analizei V0. Continuare studiilor de stranietate pentru Xi și Omega. Studierea V0 în evenimente de tip difractive/soft-/Hard- QCD.
II.2.2. Simularea evenimentelor LHC pentru coliziuni tip Hard-QCD cu producere de bozon-Z, Upsilon, J/Psi, și măsurarea producției corelate de stranietate și a densității locale de trase.
II.2.3. Optimizarea Trigger-ului (declanșatorului de achiziție date) și primele studii ale datelor LHCb RUN3 - calibrarea tracking-ului și dezvoltare de software (de analiză). Servicii dedicate LHCb pentru proiectul Simulation , HEPData, ture de monitorizare LHCb.

III. Înregistrare de date RUN3, optimizarea selecțiilor. Testarea electronici (CI) și senzorilor în condiții extreme de temperatură și radiație.

III.1. Activități de operare și mentenanță a LHCb RICH1 și RICH2 în 2023. Testarea senzorilor (SiPM), cipurilor FastIC și a electronicii asociate în condiții extreme de radiație și temperatură.
III.2. Sarcini de computing - HEPData și software pentru proiectul Simulation, ture de monitorizare. Analize ale producției de quarkonium în eșantioane de date simulate și comparația cu măsurători indexate în HEPData.
III.3. Analize preliminare a eșantioanelor de date pentru (studii de) fizică din RUN3 dincolo de "primele măsurători" din 2022.

IV. Activități operaționale pentru RICH în 2024. Testarea senzorilor și electronicii (continuare). Primele rezultate din date RUN3 altele decăt cele pentru "primele măsuratori".

IV.1. Analizarea datelor de la testarea electronicii în (medii cu) radiație (ionizantă). Continuarea activităților de mentenanță pe pacursul RUN3. Următoarele stagii de testare ale SiPM/MCP și circuitelor integrate.
IV.2. Primele rezultate din analiza datelor înregistrare în 2022 și 2023. Studii generale de fizica energiilor înalte (HEP). Studii ale performanței de detector și ale eficienței de trigger. Producția de heavy-flavour (hadroni cu aromă grea) și multiplicități locale ale traselor.


Lista de rezultate/livrabile articole, conferințe, etc. (2022-2024)

Pe lângă următoarele articole științifice și tehnice suntem co-autori la mai multe articole LHCb cu contribuții directe sau indirecte:

  1. G. C. Salavarin, V. M. Placinta and C. Ravariu, "Proposal of an External Remote Sensing Circuitry for Switching-Mode Power Supplies", Electronics, vol. 13, issue 15, august 2024 - contribuții majore ale echipei de C&D de la IFIN;
  2. LHCb Collaboration, "The LHCb upgrade I", JINST 19 (2024) P05065, arXiv:2305.10515 [hep-ex] - LHCb-Ro a contribuit cu: modificări ale schemei detectorului RICH, comisionare RICH, calificare și testare a electronicii, testarea rezistenței la radiații a electronicii cheie din RICH inclusiv a electronicii PMD, contribuții la procesul de referare internă LHCb-RICH;
  3. M. Bartolini et al. (LHCb-RICH Collaboration), "LHCb RICH Fast-timing photon detection at the SPS charged particle beam" (de trimis la JINST până la finalul lui 2024; publicat în 2025, vezi informații în grantul următor), JINST 20 (2025) P03034 - LHCb-Ro a avut următoarele contribuții: verificare calității datelor, design-ul componentei cheie TDC cu rezoluție de 100 ps pe FPGA, design-ul altor PCB-uri utilitare, referarea internă;
  4. V. M. Placinta, L. N. Cojocariu, F. Maciuc, M. Straticiuc, S. Mattiazzo, L. Silvestrin, A. Candelori, "Measurements of Radiation Effects in an Antifuse FPGA", Nuclear Instr. And Methods in Physics Research, A, vol 1055, no. 168551, Oct. 2023 - activitatea C&D majoritar efectuată de echipa noastră din IFIN-HH, și mulțumim pentru ajutorul oferit de personalul Universității din Padova și LNL Legnaro în timpul experimentelor de iradiere, la pregătirea formei primare de articol, în determinarea esențială (și precisă) a dozelor de iradiere, și mai ales pentru acceptul de folosire a facilității SIRAD de iradiere din Legnaro;
  5. L. N. Cojocariu, D. Foulds-Holt, F. Keizer, V. M. Placinta and S. Wotton, "A multi-channel TDC-in-FPGA with 150 ps bins for time-resolved readout of Cherenkov photons", Nuclear Instr. And Methods in Physics Research, A, vol. 1055, no. 168483, Oct. 2023 - mare parte a lucrului desfășurată de echipa română și suntem recunoscători pentru ajutorul primit de la partenerii noștrii LHCb de la CERN și Cambridge în timpul TDC design, înregistrării datelor, și în timpul testării în fascicul (autorul principal/corespondent de la IFIN-HH);
  6. V. M. Placinta, L. N. Cojocariu, and F. Maciuc, "A Dedicated and Versatile System for Testing the Radiation Hardness of Various Integrated Circuit", in Proceedings of Topical Workshop on Electronics for Particle Physics 2022, Journal of Instrumentation, vol. 18, C01053, Jan. 2023.
  7. Contribuții majore la articolul LHCb (LHCb-PAPER-2023-014, CERN-EP-2023-140): "Observation of decays B0(s) to Ds1(2536)+/- plus K-/+" published as JHEP 10 (2023) 106
  8. Contribuție majoră la analiza LHCb "Measurement of the $\Omega^{0}_{c}$ and $\Xi^{0}_{c}$ baryon lifetimes using hadronic b-decays" din cadrul grupului de analiză LHCb Charm în care s-au folosit dezintegrări exclusiv hadronice ale barionilor "b": $\Xi^{0}_{c}$ (from $\Xi^{-}_{b} \to \Xi^{0}_{c} \pi^+$) and $\Omega^{0}_{c}$ (from $\Omega^{-}_{b} \to \Omega^{0}_{c} \pi^-$), publicat în JHEP 09 (2025) 157

Analize în lucru cu potențial de publicare

Grupul nostru are în pregătire alte 4 articole științifice pe tema de la studierea de mediului de funcționare la măsurători a profilului fasciculelor de particule. Două articole vizează caracterizarea detectorilor SiPM în medii speciale de temperatură și radiație. Două articole sunt pregătite cu grupul de lucru RICH folosind datele achiziționate la fasciculele de test. Avem contribuții semnificative la fiecare din aceste două articole.

Contribuții tip poster la conferințe și talk-uri la întâlniri LHCb

  1. Roxana MOCANU, Alexandru JIPA, Florin MACIUC, "Production of Drell-Yan bosons in p-p collisions at sqrt{s}=13 TeV", Bucharest University Faculty of Physics 2024 Meeting, Section: Nuclear and Elementary Particles Physics, 24 mai 2024 - abstract;
  2. V. M. Placinta, L. N. Cojocariu, F. Maciuc and M. Straticiuc, "Single Event Effects and Total Ionizing Dose Sensitivity of a 0.15 μm Antifuse FPGA", The 2023 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, 3-12 noiembrie 2023, IEEE, Vancouver, Canada

Alte livrabile

  1. Contribuții la LHCb TDRs (Technical Desigrn Reports) LHCb Collaboration, "LHCb Particle Identification Enhancement - Technical Design Report", CERN-LHCC-2023-005, LHCb-TDR-24, CERN 2024, https://cds.cern.ch/record/2866493/files/LHCB-TDR-024.pdf, ISBN 978-92-9083-643-8;
  2. Am contribuit la elaborarea altor două TDR ce sunt în faza de pregătire pentru LS4 Upgrade, se așteaptă să fie finalizate în 2026. Ulterior vor fi făcute publice în documentul cadru pentru LS4 Upgrade: "LHCb Upgrade II Scoping Document", CERN-LHCC-2024-010, LHCB-TDR-026, https://cds.cern.ch/record/2903094;
  3. Dizertații de master și lucrări de licență:
    1. Roxana Mocanu, "Production of Drell-Yan bosons in p-p collisions at Sqrt{s}=13 TeV", programul de masterat al Universității din București;
    2. C.C. Rădulescu,"Dezvoltarea unei platforme electronice cu senzori specializați pentru determinarea nivelului de radon și evaluarea calității mediului din interiorul clădirilor" or in English "Development of an electronic platform with dedicated sensors for measuring the Radon level and to assess indoor air quality" , coordonatori Prof.C. Ravariu și Dr. L.N. Cojocariu, teză susținută cu success pe 3 iunie la Universitatea Națională de Știință și Tehnologie Politehnica București;
    3. George Salavarin, "Studiul performanțelor surselor de alimentare în comutație proiectate pentru aplicații cu FPGA destinate mediilor cu radiație" (Study of power sources designed with FPGA and dedicated to radiation-intense environments), coordonatori Prof.C. Ravariu și Dr. Vlad Plăcintă, teză susținută cu success pe 3 iunie la Universitatea Națională de Știință și Tehnologie Politehnica București;
    4. V. Lupușoru,"Proiectarea și implementarea unui sistem cu fotodiode pentru monitorizarea parametrilor specifici fasciculelor de particule accelerate", in English "Design and development of a system with photodiodes for monitoring the accelerated particle beam parameters", coordonatori Prof.C. Ravariu și Dr. L.N. Cojocariu, teză susținută cu success pe 3 iunie la Universitatea Națională de Știință și Tehnologie Politehnica București.

Patente depuse

1. C.C. Radulescu, L.N. Cojocariu, "Platformă multisenzor de monitorizare în timp real pe lunga durată a mediului și fondului natural de radiație din interiorul clădirilor", Eng. "Multi-sensor platform for long term monitoring in real time of indoor environment and natural radiation background", Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci (OSIM) România, număr de patent A/000119/21.03.2024;
2. V. Lupusoru, L.N. Cojocariu, M. Lechintan, "Sistem cu fotodiode pentru monitorizarea în timp real a parametrilor specifici fasciculelor de particule accelerate", Eng. "System with photodiode for real time monitoring of accelerated particles beam parameters", Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci (OSIM) România, număr de patent A/00120/21.03.2024.

Înregistrări în portalul HEPData.net

Grupul nostru a coordonat crearea și publicarea din 2023 a 10 noi înregistrări în HEPData,net pentru colaborarea LHCb. Principala motivație la momentul curent este de a asigura premisele devoltării de noi componente software tip plug-in pentru librăria RIVET pentru măsurătorile pentru care acest lucru este posibil.

Lista completă de înregistrări HEPData.net publicate pentru LHCb între ian. 2022 și 20 noiembrie 2024 poate fi accesată aici.

Între anii 2022-2024, grupul nostru a organizat evenimente de Outreach (popularizare), și am susținut activitățile principalului proiect de Outreach finanțat de IFA, proiect dedicat CERN-ului. Un membru al echipei noastre a servit drept ghid în caverna subterană LHCb de la CERN pentru un grup de studenși români, și deasemenea în timpul "Romanian High-School Students Internship Programme" din 2023 și 2024, și în "Romanian Teacher Internship Programme 2024". În plus putem raporta și următoarele evenimente de popularizare a științei:

Responsabilități de suport

În 2022, am avut sarcini de lucru LHCb în cadrul grupurilor Simulation și RICH, și am efectuat ture de monitorizare - 21 DQCS (Data Quality, Computing and Simulation), 4 Data Manager și 12 Shift Leader - pentru detectorul LHCb.


Raport Final (2022-2024)

Raport privind activitățile desfășurate și rezultatele obținute în cadrul proiectului
"Activități LHCb de cercetare și dezvoltare în a treia etapă a acceleratorului LHC, producția și dezintegrarea particulelor în evenimente cromodinamice extreme, activități de cercetare și dezvoltare dedicate următoarelor faze de upgrade în era HL-LHC"

În următorul rezumat al principalelor activități din proiect, sunt incluse rezultatele cele mai relevante și descrierea muncii depuse în atingerea obiectivelor de proiect în perioada dintre 03.01.2022 și 30.09.2025. Două grupuri de la Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică și Inginerie Nucleară Horia Hulubei (IFIN-HH) și de la Universitatea Ștefan cel Mare din Suceava (USV) au contribuit la activitățile și rezultatele din acest proiect. Suma activităților științifice și tehnice din acest proiect poate fi împărțită în: A. analizele de date măsurate de LHCb sau generate prin simulare Monte Carlo de generatori de coliziuni proton-proton dedicați, modelarea și îmbunătățirea teoriilor de fizica particulelor fundamentale, fizică computațională; B. activitățile de cercetare și dezvoltare dedicate în principal pentru următoarele programe de Upgrade de la LHCb RICH sau pentru detectorii de tip RICH (Ring Imaging CHerenkov); C. serviciile prestate pentru programul LHCb, acestea includ recenziile interne la analize sau la articole LHCb, turele de noapte și zi pentru detectorul LHCb, serviciile de dezvoltare și mentenanță a pachetelor de software, organizarea de evenimente de outreach pentru LHCb/CERN, activități academice, alte evenimente de popularizare, conferințe, workshop-uri, etc..
În contextul analizelor de date, am realizat măsurarea producției de hadroni stranii, i.e., mezonul $K_S$ și barionul $\Lambda$. Din datele LHCb am realizat măsurarea secțiunilor eficace diferențiale ale hadronilor $K_S$ și $\Lambda$ în ciocnirile proton-proton de la LHC pentru energii în centrul de masă de 13 TeV – din secțiunile eficace diferențiale se pot extrage și rațiile barion versus mezon (anti-barion) în spațiul fazelor definit de acceptanța LHCb. Acceptanța LHCb și spațiul fazelor în variabilele de rapiditate și impuls transversal este împărțit pentru măsurările de secțiune eficace in 6 ori 6 sau 36 de celule elementare (vezi figurile 1 și 2). Deci în total avem 108 măsurări independente fiecare cu eroarea sistematică și eroarea statistică asociată – 36 pentru $K_S$, 36 pentru $\Lambda$, 36 pentru $\overline{\Lambda}$. Pentru cele 3 particule/hadroni avem și secțiunile eficace totale de producție în acceptanța geometrică a detectorului LHCb (măsurările de la LHCb în fiecare celulă elementară sunt extrapolate către impuls zero folosind estimările teoretice și valorile măsurate la impulsuri mai mari de 1 GeV pentru hadronii stranii). Un studiu adițional a fost făcut pentru a înțelege și a parametriza mecanismele de producere de particule în cazul proceselor cromodinamice quantice (QCD – quantum choromodynamics) la scale de energie diferite. Datorita dependenței constantei de cuplaj în interacția tare de scala de energie observată, împărțim procesele în hard-QCD și soft-QCD. În procesele de tip Drell-Yan o pereche de miuoni este produsă din o stare rezonată ce poate fi un bozon real sau virtual $Z^0$ (cuanta de câmp electro-slab) sau un foton virtual. Procesele Drell-Yan sunt procese hard-QCD deoarece scala de energie este dată de masa bozonului real care poate avea valori între 60 și 120 GeV, rezonanța $Z^0$ fiind produsă în majoritatea cazurilor de ciocnirea unui cuarc de valență al unui proton cu un cuarc din câmpul QCD al celuilalt proton. În aceste ciocniri proton-proton cu producere de procese Drell-Yan, pe lângă ciocnirea dură a celor doi cuarci inițiali din diagrama Drell-Yan, avem potențial o infinitate de procese QCD adiționale. O parte din aceste procese constituie ce numim „underlying event” sau ce vom numi ULE, aceste procese existând separat de procesul Drell-Yan sau de alt proces hard-QCD. Acest ULE este de natură soft-QCD, în sensul ca procesele sunt în general de tip cromodinamic și la scale de energie foarte joasă aproape de 1 GeV sau mai mici. Studiul a fost făcut pe date generate cu generatorii PYTHIA și HERWIG, generatori standard la LHC și în fizica energiilor înalte (HEP – high energy physics). Rezultatele vor fi trimise spre publicate într-un jurnal (cu cotație ISI) anul acesta și cunoștințele dobândite vor contribui la un studiu viitor pe datele LHCb. În studiile prezentate și cele viitoare s-au luat în considerare și procese din diagramele (aproximațiile) de NLO (Next to Leading Order), aproximații de ordin superior la diagrama Feynman de primul ordin din procesul Drell-Yan. Aceste procese NLO pot duce la producții de jeturi QCD corelate cu producția de bozoni neutri electro-slabi. Din punct de vedere a grupurilor care au lucrat pe astfel de teme, este important de menționat că o teză doctorală a fost dedicată proceselor soft-QCD de la LHCb în context NoBias fără trigger. Două teze de master au avut success academic pe tematici de procese hard-QCD ce au fost analizate în date Monte Carlo generate la coliziuni proton-proton de 13 TeV. O aplicație pentru un doctorat de 4 ani a fost făcută în septembrie 2024 pentru un studiu de hard-QCD și de ULE, aplicația aceasta fiind de succes la Facultate de Fizică a Universității din București, iar candidata a luat nota maximă dintre aplicațiile la școala doctorală în acel an pe întreaga facultate. Noi studii și analize de date sunt în pregătire pe datele LHCb sau date HEP generate iar unele studii pe date simulate sunt în curs de finalizare la IFIN și la USV. De menționat sunt și studiile făcute pentru utilitarele de analiză și procesare de date care au inclus un studiu comparativ a metodelor de „unfolding” – un exemplu de probleme de inversare cu deconvoluție și cu ecuații integrale Fredholm-Voltera sau similare.
Ks differential cross-section
Figura 1 (deasupra) pentru mezonul $K_S$ și fig. 2 (dedesubt) pentru barionul $\Lambda$, secțiunile eficace diferențiale pe celule elementare în spațiu de fază definit de rapiditate $y$ și impuls transversal $p_T$. Sunt date estimările teoretice de generator: PYTHIA, HERWIG, EPOS, QGSJET-II, DPMJET 2009-1 și Sibyll. Valorile și unitățile de măsură pe axa OY a graficelor dar și punctele experimentale măsurate de LHCb sunt ascunse. Aceste valori măsurate sunt proprietatea intelectuală a colaborării LHCb și vor fi făcute publice numai în momentul publicării în format “open access” într-un jurnal de specialitate. Pe axa OX avem rapidiatea $y$ cu valori cuprinse între 2 și 5 (în esență acceptanța LHCb).
Lambda baryon differential cross-section
În contextul activităților de cercetare și dezvoltate, majoritatea activităților grupului a fost dedicată programelor de Upgrade de la LHCb, în special cele viitoare pentru LS3 (3rd Long Shutdown) și LS4 (4th Long Shutdown) perioade cheie în timpul de viață al acceleratorului LHC. În aceste eforturi pentru îmbunătățirea detectorului LHCb, grupul nostru contribuie la o gamă largă de obiective tehnologice dedicate îmbunătățirii substanțiale a sistemelor subdetectorilor RICH. Pentru acesta, grupul a dezvoltat două prototipuri pentru placa digitală de comunicație („Photon Detector Module Digital Board” sau PDMDB, se mai cheamă și „carrier” board). Aceasta este componenta din hardware ce asigură comunicația între toate componentele de la electronica de „front-end” (FEE), asigură și alimentarea de putere la parametrii ajustabili de intensitate și tensiune electrică pentru restul circuitelor integrate, permite comunicația cu sistemul de central de DAQ („Data AQuisition”) de la LHCb. Primele versiuni ale acestor plăci de comunicație au folosit fie un FPGA („Field Programmable Gate Array” – circuit integrat configurabil) fie un sistem bazat pe două cipuri FastIC și picoTDC, ambele fiind circuite integrate de tip ASIC („Application Specific Integrated Circuit”). În viitor un singur cip de tip ASIC va fi utilizat, acesta fiind cipul FastRICH dezvoltat de CERN și Universitatea din Barcelona. Deja grupul din IFIN-HH a început dezvoltarea de sisteme de test pentru cipul viitor, fiind dezvoltate și ansamblate sisteme DAQ care o să proceseze informația de timp cu precizii de ordinul câtorva pico-secunde. Un sistem pe bază de FPGA a fost, de asemenea, dezvoltat și implementat pentru a emula viitorul cip FastRICH în viitoare teste la CERN și ca soluție de back-up. Plăcile anterior menționate au fost utilizate de grupul RICH în teste ale modulelor de tip PDM („photon detector modules”) în fascicul de pioni derivați din protonii de la acceleratorul SPS („Super Proton Synchrotron”) de la CERN. Unul din inginerii grupului a avut contribuții semnificative și în luarea de date la aceste teste iar grupul LHCb-Romania a fost implicat în analiza de date. Datele și măsurările de la SPS, făcute de grupul RICH din LHCb constituie obiectivul a două articole (un articol pentru fiecare configurație precizată anterior FPGA vs. FAstIC+picoTDC). Sistemul cu FPGA a presupus și un efort major din partea inginerilor noștri care au implementat un firmware pe cipul FPGA, firmware care include un TDC („time to digital converter”), unitate care măsoară cu precizie de aproximativ 30 pico-secunde semnalul de la un foto-electron înregistrat de senzorii de tip „Photo-Counter”. În timpul testelor din 2022, 2023 și 2024 s-au testat o gamă largă de senzori, între care și senzorii SiPM („Silicon Photo Multipliers”). În figurile 3 și 4 (de mai jos) se pot vedea schema pentru electronica de „front-end” de la testele modulelor PDM de la SPS și sistemul de senzori din modulele PDM ce detectează fotonii Cerenkov produși de pioni la viteze ultrarelativiste. O reprezentare schematică a inelelor Cerenkov este vizibilă în fig. 4.

Lambda baryon differential cross-section
Lambda baryon differential cross-section

Figurile 3 și 4: În 2023 și 2024 electronica dezvoltată cu o contribuție semnificativă a grupului IFIN-HH, a fost testată la CERN într-o instalație de testare cu fascicul de pioni de la SPS. Aici au fost testate prototipuri de module PDM, cu placa digitală de comunicație PDMDB și electronica de “front-end” reprezentate în fig. 3 (deasupra) cu lanțul optic, de citire și prelucrare a semnalului în electronică și transmisie pe fibră optică către sistemul LHCb central de DAQ. În fig. 4 este imaginea frontală a trei PDMs (două cu senzori de tip MaPMT și unul cu senzori de tip SiPM). Se poate vedea schematic reconstrucția unui inel Cherenkov de la pioni derivați din fasciculul de protoni de la SPS. Un inginer de la IFIN a participat în luarea de date la CERN și partea de comunicație digitală a electronicii, cât și partea de alimentare a fost realizată prin plăci de tip „motherboard” (placa mamă a electronicii de front-end) dezvoltată și implementată la IFIN. În 2022 aceleași teste au fost făcute cu o placă digitală și o placă FPGA realizate la București, împreună cu firmware-ul de configurație a unui circuit TDC pe cipul FPGA.

Un subgrup al grupului LHCb-Romania de la IFIN, a condus o campanie de test extinsă pe senzorii de tip SiPM și au fost dotate două laboratoare pentru o campanie sistematică de teste la temperaturi joase (-35 sau -70 grade Celsius) ale senzorilor SiPM comerciali și pentru o caracterizare completă a acestora. În afara de SiPM au fost testați și senzori de tip MCP („Micro Channel Plate”). Căutam în cadrul programului de cercetare și dezvoltare o modalitate de a face detectorul LHCb un spectrometru cu un singur braț ce reconstruiește ciocnirile proton-proton în 4D, geometric și în timp. Pentru aceasta senzorii SiPM și electronica trebuie operați cu măsurări de precizie în timp la rezoluții de câteva pico-secunde și cu o granularitate de ordinul 1 mm2 în detectorii LHCb-RICH. În plus senzorii și electronica trebuie să reziste în medii cu radiație mai intensă de 2×1013 1-MeV neutron-echivalent per cm2. Aceste studii de rezistență la radiație a senzorilor (SiPM în particular), cât și dezvoltarea de electronică rezistentă la radiație și capabilă să proceseze semnale foto-electronice la frecvențe foarte mari și cu precizie de timp la nivel de pico-secundă, este importantă în cadrul unei noi colaborări de cercetare și dezvoltate DRD4 („Research and Development for Photon Detectors and Particle identification Techniques”) de la CERN. Grupul IFIN-HH a participat de la început la formarea acestei colaborări și sperăm să prezentăm în cadrul întâlnirilor de colaborare de la DRD4 rezultatele obținute în contextul programelor de Upgrade de la LHCb. Obiectivele în DRD4 sunt să comunicăm cu ceilalți experți în domeniu, să elaborăm soluții comune la dezvoltarea de tehnologii noi pentru detecția și recunoașterea/identificarea particulelor („Particle Identification” PID) în cadrul experimentelor de la LHC sau cele viitoare de la „Future Circular Collider” (FCCee sau FCChh) propus de CERN pentru a înlocui LHC după 2041. În Figurile 5 și 6 sunt reprezentate bancul de test de la IFIN pentru senzorii de fotoni și reprezentarea pe osciloscop a semnalelor cu multi-fotoni de la o sursă de referință laser cu lungime de undă în violet aproape de maximul distribuției lungimilor de undă Cherenkov.

Lambda baryon differential cross-section
Lambda baryon differential cross-section

Figurile 5 și 6 (deasupra): Schema standului de test pentru senzorii SiPM și ceilalți senzori de fotoni Cherenkov. În fig. 6 sunt vizibile pe osciloscop mii de semnale de fotoni de la o sursă laser de referință, fiecare semnal este cu un foto-electron, doi foto-electroni, trei foto-electroni, etc. Semnalele vin la câteva zeci de nanosecunde de un semnal de trigger reprezentat la marginea imaginii de pe osciloscop, semnal ce are polarizare negativă. Semnalele de foto-electroni generați în SiPM sunt amplificate în tensiune, din curenți de maxim zeci de micro-amperi la tensiuni de ordinal câtorva mV.

La capitolul de servicii prestate pentru colaborarea LHCb trebuie să punctăm serviciul pentru includerea măsurătorilor de la LHCb în baza de date HEPData.net. Între 2022 și 2024 au fost incluse valorile măsurate de la 17 analize LHCb și s-au produs mai multe „plug-ins” RIVET cu contribuția și suportul grupului din IFIN. Aceste măsurări din HEPData pot fi folosite de o comunitate largă de teoreticieni și fenomenologiști care testează fizica de bază din Modelul Standard sau fac modele pentru a aproxima procesele fizice care nu pot fi descrise direct din principiile de bază ale Modelului Standard al particulelor elementare. Alte servicii pentru colaborarea LHCb includ: 1. Dezvoltarea și mentenanța de software pentru grupul LHCb de simulare; 2. Ture și schimburi de monitorizare a detectorului și pentru procesarea de date (inclusiv monitorizarea Grid-lui de la CERN/LHCb; 3. Organizarea de evenimente de outreach (popularizare) inclusiv LHCb/HEP/IPPOG, suport pentru activități academice și outreach. Un rol foarte important l-au avut colegii de la USV în organizarea și susținerea de evenimente de outreach inclusiv 3 evenimente de tip Masterclass pe tematica LHCb și HEP, de asemenea grupul de la USV a prestat un număr mare de ture pentru detectorul LHCb în monitorizarea de culegere de date și pentru monitorizarea întregului detector. Din punct de vedere academic avem un procent mare de studenți în grup: trei studenți la program de master, doi la programe doctorale, un student la diploma (de licență). Studenții sunt de la facultățile Universității din București, Universității Politehnica București, ale USV sau ale Universității din Munich. Cinci din 8 studenți sunt implicați 100% în programele LHCb și au realizat teze de diploma sau de Master pe un subiect de fizica particulelor corelat cu programul LHCb sau pe un subiect tehnologic de cercetare dezvoltare corelat cu programele de Upgrade sau derivate din acesta. Studenții au realizat inclusiv stagii academice de vară în IFIN la LHCb.
Grupul are în cadrul programului finalizat la 30.09.2024 un patent aprobat în 2022 și două aplicații noi de patente trimise în 2024. Una din aceste aplicații de patente este un dispozitiv compact de măsurare a unei game largi de parametrii de mediu: parametrii de poluare electromagnetică (antene de celular și emițătoare clasificate G5 sau mai mic), radon natural din încăperi, surse gama (inclusiv și probabil dominat de lanțul de dezintegrare de la Radon natural – Radiu/Uraniu la baza lanțului în materiale de construcții), poluare fonică, poluare de vibrații, poluare cu noxe, poluare de la particule de praf de dimensiuni variabile (3 praguri), poluare chimică, etc.. Aceste surse de poluare și radioactivitate sunt monitorizate de pe o placă cu 17 senzori, cu dimensiuni modeste de aproximativ 10×10 cm2 și foarte compactă. Electronica de achiziții de la senzori este similară cu electronica dezvoltată de grup în experimentele de la CERN și de la alte laboratoare internaționale. Datele colectate în o memorie locală pe placă sunt citite și înregistrate pe orice unitate de PC care poate să se conecteze pe un cablu de rețea Ethernet-link la placa. Acest patent dovedește că beneficiile imediate și dedicate societății sunt posibile și importante pentru aceste studii de fizică fundamentală de la CERN și pentru fizica aplicativă în domeniul detectorilor asociată experimentelor de la CERN.