Eksperyment LHCb

Eksperyment LHCb (ang. Large Hadron Collider beauty) jest jednym z tak zwanych Wielkich Eksperymentów Fizyki Wysokich Energii, które działają przy akceleratorze LHC w CERN. Jego główną misją fizyczną jest precyzyjne badanie łamania symetrii ładunkowo przestrzennej CP oraz poszukiwanie efektów Nowej Fizyki poza Modelem Standardowym. Podczas drugiego okresu zbierania danych (Run 2, 2015–2018) plan badań fizycznych został znacząco rozwinięty i objął również: fizykę procesów elektro-słabych, badanie oddziaływań silnych, bezpośrednie poszukiwanie nowych cząstek, procesy ekskluzywne oraz analizę rozproszeń proton-jon. Obecnie eksperyment LHCb przechodzi głęboką modernizację, która powinna zostać ukończona na początku roku 2022. Dzięki modernizacji eksperyment LHCb będzie zdolny do kontynuacji zbierania danych fizycznych w kolejnych okresach zbierania danych (Run 3 oraz Run 4, 2022–2030). Polskie grupy badawcze, związane z eksperymentem LHCb, skupione są w konsorcjum naukowym LHCb-PL i biorą udział w badaniach od roku 1999. W skład konsorcjum wchodzą: Akademia Górniczo-Hutnicza (lider: dr hab. inż. Tomasz Szumlak, prof. AGH; do roku 2015 liderem był prof. dr hab. Bogdan Muryn), Instytut Fizyki Jądrowej PAN (lider: prof. dar hab. Mariusz Witek; do roku 2012 liderem był dr Grzegorz Polok) oraz Narodowe Centrum Badań Jądrowych (lider: prof. dr hab. Wojciech Wiślicki; do roku 2012 liderem był dr hab. Marek Szczekowski).

Grupę eksperymentu LHCb w AGH tworzą naukowcy (dr hab. inż. Tomasz Szumlak, prof. AGH, prof. dr hab. inż. Marek Idzik, dr hab. inż. Agnieszka Obłąkowska-Mucha, prof. AGH, dr inż. Bartłomiej Rachwał, dr inż. Tomasz Fiutowski, dr inż. Krzysztof Świentek, dr inż. Mirosław Firlej, dr inż. Jakub Moroń) oraz sześcioro doktorantów. Profil działalności grupy dotyczy wszystkich aspektów eksperymentalnej fizyki wysokich energii. Członkowie zespołu LHCb-AGH prowadzą analizy fizyczne, wnoszą znaczny wkład do przygotowania oprogramowania eksperymentu oraz części sprzętowej. Analizy danych dotyczą głównie rzadkich rozpadów hadronowych mezonów pięknych do stanów końcowych z otwartym powabem, pomiarów asymetrii kombinowanej CP w rozpadach barionów powabnych (we współpracy z NCBJ) oraz analizy ekskluzywne z mezonami wektorowymi w stanie końcowym. Wkład związany z oprogramowaniem dotyczy modelowania odpowiedzi krzemowych detektorów planarnych, oprogramowania do monitorowania oraz kontroli jakości danych detektorów krzemowych z użyciem inteligencji obliczeniowej umożliwiającej znaczną automatyzację całego procesu kontroli. Badacze z AGH zaprojektowali oraz zaimplementowali nowatorski algorytm do rekonstrukcji śladów długożyciowych, który był używany w układzie trygera wysokiego poziomu w drugim okresie zbierania danych (Run 2). Grupa LHCb-AGH odgrywa również wiodącą rolę w modernizacji eksperymentu LHCb. Wkład do projektu modernizacji detektora ze strony badaczy z AGH związany był z przygotowaniem do pracy detektorów krzemowych UT (ang. Upstream Tracker) oraz VELO (ang. Vertex Detector). Największy wkład w budowę detektora UT stanowi rozwój dedykowanego układu SALT w submikronowej technologii CMOS 130 nm, do odczytu paskowych sensorów krzemowych. SALT zawiera 128 kanałów, w każdym z nich znajduje się bardzo szybka analogowa elektronika front-end wraz z przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC), po którym następuje cyfrowe przetwarzanie sygnału. Po raz pierwszy w eksperymentach na LHC polska grupa wzięła pełną odpowiedzialność za opracowanie tak złożonego układu odczytowego typu ASIC (ang. Application Specific Integrated Circuit). W układzie SALT po raz pierwszy na świecie zastosowano w każdym kanale szybki 40 MHz przetwornik ADC małej mocy. Badacze z AGH przygotowali również elastyczną platformę do analizy danych pochodzących z detektorów krzemowych z elementami inteligentnymi, dzięki którym system może uzyskać autonomiczność w podejmowaniu decyzji dotyczących jakości danych.