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FLARE 2014-2015: Operation and upgrade of the LHCb experiment

English title FLARE 2014-2015: Operation and upgrade of the LHCb experiment
Applicant Schneider Olivier
Number 154218
Funding scheme FLARE
Research institution Laboratoire de physique des hautes énergies 2 EPFL - SB - IPEP - LPHE2
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Particle Physics
Start/End 01.04.2014 - 31.03.2016
Approved amount 1'143'026.00
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Keywords (10)

Silicon photo-multipliers; Heavy flavour; Detector upgrade; b hadrons; CP violation; Scintillating fibres; New Physics searches; LHCb; LHC; CKM matrix

Lay Summary (German)

Lead
Der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik(CERN) wurde gebaut, um auf möglichst fundamentaler Ebene die grundlegendstenBestandteile der Materie und ihre Wechselwirkungen zu untersuchen. Der Name desLHCb-Experiments ist Programm: das Experiment nutzt die riesige Anzahl sogenannter“b”-Quarks, die bei den hochenergetischen Kollisionen am LHC erzeugt werden (diebei den Kollisionen freigesetzte Energie entspricht einer Potentialdifferenz vonmehreren Tausend Milliarden Volt). Die Erforschung seltener Zerfälle von Teilchen,die ein b-Quark beinhalten, erlaubt es, Vorhersagen des Standard-Modells derTeilchenphysik zu testen, jener Minimal-Theorie, die alle bekannten Prozesse derTeilchenphysik beschreibt. Falls das Experiment Abweichungen von gewissenVorhersagen des Standard-Modells nachwiese, würde das auf die Existenz weiterer,bisher noch unbekannter Vorgänge und Elementarteilchen hindeuten.
Lay summary

Das LHCb-Experiment wurde in internationaler Zusammenarbeit von mehreren hundert Physikern gebaut. Zu ihnen zählen auch die Forschungsgruppen der Professoren A. Bay (EPFL), T. Nakada (EPFL), O. Schneider (EPFL), N. Serra (Universität Zürich) und U. Straumann (Universität Zürich). Die beteiligten Schweizer Gruppen trugen die Verantwortung für die Entwicklung, Konstruktion und Inbetriebnahme verschiedener Bestandteile des Experiments, z.B. Silizium-Spurdetektoren und elektronischer Signalauslese. Während der ersten Inbetriebnahme zwischen Ende 2009 und Anfang 2013 hat LHCb bei halber Nominalenergie des LHC Daten hoher Qualität gesammelt. Die Analyse dieser enormen Datenmenge, bei welcher die Schweizer Forschungsgruppen eine prominente Rolle spielen, hat bereits zu einer grossen Anzahl neuer Beobachtungen und Messungen geführt. Ueber 180 wissenschaftliche Artikel wurden publiziert; bisher konnte aber im Standard-Modell keine Schwachstelle gefunden werden. Um das Potential des Experiments voll auszunutzen, muss eine noch deutlich grössere Anzahl von Kollisionen analysiert werden.

Das Experiment wird während einer zweiten Phase von 2015 bis 2018 mit fast doppelter Energie des LHC weitere Daten sammeln. Für das Jahr 2019 ist eine Erneuerung des Experiments vorgesehen, die sein Potential verzehnfachen soll. Dafür müssen neue Detektoren und leistungsfähigere Elektronik entwickelt werden. Die Schweizer Forschungsgruppen arbeiten am Bau neuer Spur-Detektoren aus Silizium und aus szintillierenden Fasern, die mit Silizium-Fotodetektoren abgelesen werden. Die Entwicklungsarbeiten hierfür gehen nun in die Endphase und werden bald in die Konstruktionsphase übergehen. Die Installation ist für 2018-2019 vorgesehen.

Der Zuschuss des FLARE Programms erlaubt es den Forschungsgruppen von EPFL und Universität Zürich, zwei Techniker für den Unterhalt und die Entwicklung der ihrer Verantwortung unterliegenden Bestandteile des Detektors zu finanzieren und in den Bau neuer Elemente für die Aufrüstung des Experiments zu investieren.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.04.2014

Lay Summary (French)

Lead
Le grand collisionneur de protons (LHC) du laboratoire européen pour la physique des particules (CERN) a été construit pour explorer, au niveau le plus fondamental possible, les constituants élémentaires de la matière et leurs interactions. L'expérience LHCb porte un nom suggestif; en effet, son but est de tirer parti de l'énorme quantité de quark lourds appelés "b" produite au LHC dans les collisions entre protons de très haute énergie (correspondant à l'énergie acquise dans une différence de potentiel de plusieurs fois mille milliards de volts). L'étude de certaines désintégrations rares des particules contenant un quark b permet de tester les prédictions du "Modèle Standard", la théorie minimale décrivant tous les processus connus en physique des particules élémentaires. Si l'expérience révélait que certaines prédictions sont incorrectes, alors elle révélerait du même coup l'existence de nouveaux phénomènes encore inconnus.
Lay summary

L'expérience LHCb a été construite par une collaboration internationale de plusieurs centaines de physiciens, dont les membres des groupes des professeurs A. Bay (EPFL), T. Nakada (EPFL), O. Schneider (EPFL), N. Serra (Université de Zurich) et U. Straumann (Université de Zurich). Les groupes suisses ont pris la responsabilité du développement, de la construction et de l'exploitation d'une certaine partie de l'appareillage de l'expérience, incluant des détecteurs à micro-pistes de silicium et l'électronique de lecture des signaux. LHCb a enregistré efficacement des données d'excellente qualité durant la première période d'exploitation du LHC, entre fin 2009 et début 2013, à la moitié de l'énergie nominale. Jusqu'à présent, l'analyse de cette énorme masse de données (à laquelle les groupes suisses prennent une part importante) a produit une quantité de nouvelles observations et mesures, publiées dans plus de 180 articles scientifiques, mais n'a pas permis de trouver la faille du Modèle Standard. Afin d'augmenter la sensibilité de l'expérience, il faut examiner un encore plus grand nombre de collisions. 

L'expérience continuera à tourner pendant la deuxième période d'exploitation du LHC (2015-2018), à une énergie presque doublée. En 2019, l'expérience sera mise à jour afin d'en décupler le potentiel. Pour ceci il faut développer de nouveaux détecteurs et une nouvelle électronique plus performants. Les groupes suisses travaillent à la construction de nouveaux "détecteurs à traces" en silicium ou en fibres scintillantes lues par des photo-détecteurs au silicium. La phase de développement se termine et laisse place maintenant à une phase de construction, avant l'installation prévue en 2018-2019.

Le subside FLARE permet aux groupes de l'EPFL et de l'Université de Zurich de financer deux postes techniques pour la maintenance et le développement des appareillages sous leur responsabilité, ainsi que d'investir dans la construction des nouveaux éléments pour la mise à jour de l'expérience.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.04.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
152784 High Precision CP Violation Physics at LHCb 01.04.2014 Project funding
141096 High Precision CP Violation Physics at LHCb 01.04.2012 Project funding
166208 High Precision CP Violation Physics at LHCb 01.04.2016 Project funding
166915 FLARE 2016: Operation and upgrade of the LHCb experiment 01.04.2016 FLARE
160433 FLARE: Maintenance & Operation for the LHC Experiments 2015 01.04.2015 FLARE
159948 Experimental Particle Physics with the LHCb detector at Cern 01.04.2015 Project funding
166914 FLARE: Maintenance & Operation for the LHC Experiments 2016 01.04.2016 FLARE
147467 FLARE 2013: Operation and upgrade of the LHCb experiment 01.04.2013 FLARE
147468 FLARE: Maintenance & Operation for the LHC Experiments 2013 01.04.2013 FLARE
146644 Experimental Particle Physics with the LHCb detector at Cern 01.04.2013 Project funding

Abstract

The LHCb detector is designed for precise measurements of CP violationand rare B decays, exploiting the very large bbbar production at the LHCcollider at CERN. The main physics aims are to elucidate the flavourstructure in the quark sector, and look for New Physics in the decay ofcharm and bottom hadrons.LHCb has efficiently recorded data during the first physics run of the LHC,between December 2009 and February 2013. High-quality data samples areavailable for analysis, corresponding to integrated luminosities of 1.0fb^-1 and 2.0 fb^-1 at proton-proton centre-of-mass energies of sqrt{s}=7 and 8 TeV in 2010-2011 and 2012, respectively, as well as smaller samplesof proton-lead and lead-proton collisions at 2.76 TeV in 2013. With thesedata the LHCb collaboration has deployed its physics programme, playing aunique role at LHC. Already 160 scientific papers have been published orsubmitted to peer-reviewed journals. Much new unknown territory has beenexplored and, so far, all results are compatible (although with a couple oftensions) with the predictions of the Standard Model of particle physics.After the ongoing two-year shutdown in 2013-2104, LHC will deliver collisionsat 13 TeV for a three-year period during which LHCb is expected to collect5 fb^-1 of additional integrated luminosity. After this, the collaborationis planning to upgrade the detector such as to enable the collection of 5fb^-1 per year with improved efficiency.We have played important leadership roles in LHCb since the beginning of theproject in 1995. Our detector construction and maintenance responsibilitiescover the off-detector electronics (the so-called TELL1 common readoutboards which are used by all sub-detectors except the RICHes), the poweringsystem and analogue transmission electronics for the silicon vertex detectorVELO, the optical data transmission interface for the whole experiment, andthe Silicon Tracker. In addition, we have taken a significant financialresponsibility for the online system, including the computer farm for thehigh-level trigger of the experiment. We contribute to data analysis andare heavily involved in R&D studies in view of the upgrade of the trackingstations, for which we have proposed a new scintillating-fibre technology.Our objectives for the coming two-year funding period are the following:- Maintain the hardware devices which are under our responsibility to ensuretheir full operational state at the start of the second LHC physics run in2015, and then operate them at their optimal performance.- Continue to contribute significantly to the physics data analysis,with emphasis on CP violation in B decays, rare B decays, heavy-flavourspectroscopy, W and Z production, and direct New Physics searches.- Build prototype tracking detectors based on scintillating fibres read outwith newly developed silicon photo-multipliers, and operate them in the LHCenvironment to gain experience.- Complete our R&D and design effort for the upgrade of the tracker systemand start production.We ask SNSF/FLARE to help us achieve our objectives through the fundingof two technical positions associated with the TELL1 and tracker projects,as well as a first contribution to the investment in the LHCb upgrade.This FLARE proposal is a continuation of our current FLARE grant andis mirrored by our regular SNSF grants, from which we obtain funding tosupport our involvement in the LHCb project (salaries, consumables, andtravel expenses), in particular for the exploitation of the physics data.Additional funding for Maintenance and Operations (M&O) costs is asked for in aseparate FLARE request common to all LHC experiments with Swiss participation.
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