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

 

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:

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)

Obiectivele de proiect:

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

I. ...

I.1 ...


II. ...

II.1 ...

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.

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).

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.

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.

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.