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 okresach zbierania danych Run 3 oraz Run 4 (2022 – 2030). Polskie grupy badawcze, związane z eksperymentem LHCb, skupione są w Konsorcjum Naukowym LHCb-PL biorą udział w badaniach od roku 1999. W skład Konsorcjum wchodzą AGH (Lider Tomasz Szumlak, Bogdan Muryn do 2015), IFJ-PAN (Lider Mariusz Witek, Grzegorz Polok do 2012) oraz NCBJ (Lider Wojciech Wiślicki, Marek Szczekowski do 2012).
AGH (Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie)
Grupa eksperymentu LHCb na AGH składa się z 14 osób (trzech profesorów, pięć osób na stanowisku post-doc oraz 6 doktorantów). Profil działalności grupy dotyczy wszystkich aspektów eksperymentalnej fizyki wysokich energii. Członkowie grupy 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 (Vertex Detector). Największym wkładem w budowę detektora UT jest 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 (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.
IFJ-PAN (Instytut Fizyki Jądrowej – Polska Akademia Nauk)
Grupa eksperymentu LHCb w IFJ PAN (czterech profesorow, sześć osób na stanowisku post-doc oraz 8 doktorantów), uczestniczy w pracach współpracy LHCb od 1999 roku wnosząc wkład w projektowanie i budowę detektora, rozwój oprogramowania centralnego a obecnie prowadzi szeroki program badawczy. Prace detektorowe skoncentrowane były na prototypowaniu oraz konstrukcji Detektora Zewnętrznego. Wniesiono wkład w rozwój algorytmów do rekonstrukcji przypadków, w szczególności do rekonstrukcji wierzchołków pierwotnych oraz do szybkiej rekonstrukcji śladów na poziomie sytemu wyzwalania. Uczestniczono w procesie reoptymalizacji detektora oraz wyższego stopnia systemu wyzwalania. Obecnie grupa uczestniczy w pracach nad nowatorskim systemem wyzwalania RTA (Real Time Analysis) w pełni realizowanym programowo w którym możliwe będzie pełna rekonstrukcja przypadków, pozwalająca na osiągnięcie wysokiej wydajności na badane procesy przy silnej redukcji procesów tła. Pozwoli to na kolejny skok zwiększający liczbę zebranych przypadków co bezpośrednio wpłynie na czułość przeprowadzanych pomiarów. Program badawczy grupy obejmuje szeroką tematykę. Główny nacisk położony jest na poszukiwanie Nowej Fizyki w rzadkich i wzbronionych rozpadach hadronów pięknych i powabnych oraz leptonów. Precyzyjne pomiary takich rozpadów niosą duży potencjał pośredniej obserwacji fizyki spoza Modelu Standardowego poprzez obserwacje niezgodne z przewidywaniami tego modelu. Przeprowadzono poszukiwania procesów złamaniem zapachu leptonu uzyskując istotne ograniczenia nowych modeli teoretycznych. Od wielu lat prowadzone są także pomiary łamania symetrii CP w rozpadach neutralnych mezonów B i Bs do stanu końcowego zawierającego mezony powabne. Doprowadziło to do poprawy precyzji pomiaru kąta gamma, najsłabiej znanego kąta trójkąta unitarności. Innym wartościowym pomiarem jest obserwacja łamania symetrii CP dla mezonów powabnych. W ramach Modelu Standardowego przewidywany poziom łamania symetrii CP (CPV) w sektorze hadronów powabnych jest znacznie niższy niż dla hadronów pięknych, nie przekracza jednego procenta, co stwarza dogodną sytuację do obserwacji ewentualnego wpływu efektów Nowej Fizyki. Grupa uczestniczy także w procesie modernizacji detektora współpracy LHCb.
NCBJ (Narodowe Centrum Badań Jądrowych)
Prace aparaturowe w początkowym okresie dotyczyły głównie śladowego detektora zewnętrznego, tzw. outer tracker. Był to precyzyjny detektor o dużej powierzchni, służący do wyznaczenia punktów torów cząstek naładowanych, z których następnie rekonstruuje się obraz czasoprzestrzenny oddziaływań. Detektor ten wykonany był z tzw. rurek słomkowych, tzn. bardzo cienkich i długich komór proporcjonalnych, umożliwiających żądaną dokładność. Poza tym skonstruowano specjalny, optyczny system RASNIK, służący do dokładnego pozycjonowania tego detektora.
W pierwszej fazie pomiarów w LHCb, w latach 2011-13, zainteresowania naukowe grupy skupiały się na poszukiwaniu bezpośredniego łamania CP w hadronowych rozpadach mezonów powabnych D. Był to wtedy temat dość słabo reprezentowany w LHCb, ponieważ aktywność większości badaczy skupiała się na mezonach B. W rozpadach D nie znaleziono wówczas tego efektu, lecz wyznaczono granice na jego istnienie, co pozwoliło zaprojektować dalsze pomiary. Ta tematyka jest kontynuowana do dziś, gdy poszukuje się łamania CP także w powabnych barionach, znajdując coraz dokładniejsze ograniczenia na jego wielkość. W drugiej fazie, tzw. Run-2 LHCb, po znacznym zwiększeniu stanu osobowego, rozwinięto w grupie NCBJ kilka nowych tematów fizycznych. Pierwszym było zmierzenie łamania CP w rozpadach Bs na mezony J/ψ i Φ. Drugim – znalezienie jak najdokładniejszych ograniczeń na symetrię CPT, zarówno w rozpadach mezonów powabnych, jak pięknych. Jest to bardzo ważny pomiar dla poszukiwania zjawisk wykraczających poza model standardowy oddziaływań. Trzecim tematem jest poszukiwanie egzotycznych stanów hadronowych, tzw. tetrakwarków, w rozpadach mezonów B. Poza tym poszukiwane są związki łamania symetrii CP z łamaniem symetrii izospinowej, co będzie głębszym wniknięciem w podstawy teoretyczne tego zjawiska. Prowadzi się też pracę nieco luźnej związaną z samym eksperymentem, a dotyczącą związków symetrii CPT i CP z grawitacyjnymi deformacjami czasoprzestrzeni. Jednocześnie z analizami fizycznymi, grupa z NCBJ zaangażowana jest w prace software’owe nad rekonstrukcją przypadków w kalorymetrze elektromagnetycznym oraz nad szybkimi symulacjami zdarzeń w detektorze. Te ostatnie prace mają duże znaczenie dla przygotowań do Run-3, czyli przyszłych pomiarów z rozbudowanym detektorem LHCb. Wkład aparaturowy grupy od roku 2013 opiera się na dużym udziale w obliczeniach i produkcji danych na Gridzie. Grupa z NCBJ dostarcza zasoby i serwisy na poziomie typowym dla Tier-1, tzn. 7200 CPU, 600 TB pamięci dyskowej i 5 PT pamięci taśmowej, z bardzo dobrą wydajnością i niezawodnością działania tej infrastruktury.