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FLARE 2016: Operation and upgrade of the LHCb experiment

English title FLARE 2016: Operation and upgrade of the LHCb experiment
Applicant Schneider Olivier
Number 166915
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 01.04.2016 - 31.03.2017
Approved amount 709'185.00
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Keywords (13)

LHC; LHCb; New Physics; Standard Model; Production in forward region; b and c hadrons; Heavy flavour; CP violation; CKM matrix; Detector upgrade; Silicon strip detectors; Scintillating fibres; Silicon photo-multipliers

Lay Summary (German)

Lead
Der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik (CERN) wurde gebaut, um auf möglichst fundamentaler Ebene die grundlegendsten Bestandteile der Materie und ihre Wechselwirkungen zu untersuchen. Der Name des LHCb-Experiments ist deutlich: das Experiment nutzt die riesige Anzahl sogenannter "b"-Quarks, die bei den hochenergetischen Kollisionen am LHC erzeugt werden (ungefähr 100'000 pro Sekunde). Die Erforschung seltener Zerfälle von Teilchen, die ein b-Quark beinhalten, erlaubt es, Vorhersagen des Standard-Modells der Teilchenphysik zu testen, jener Minimal-Theorie, die alle bekannten Prozesse der Teilchenphysik beschreibt. Falls das Experiment Abweichungen von gewissen Vorhersagen des Standard-Modells nachwiese, würde das auf die Existenz weiterer, bisher noch unbekannter Vorgänge und Elementarteilchen hindeuten.
Lay summary

LHCb ist eine internationale Zusammenarbeit von mehreren hundert Physikern. Zu ihnen zählen auch die Forschungsgruppen der Professoren A. Bay, T. Nakada, O. Schneider (EPFL), N. Serra und U. Straumann (Universität Zürich). Die beiden 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 2009 und 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 zahlreichen neuen Beobachtungen und Messungen geführt. Nahezu 300 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 (eine von der EPFL-Gruppe entwickelte Technologie) abgelesen werden. Die Entwicklungsarbeiten hierfür sind bald beendet und werden von der Konstruktionsphase abgelöst, gefolgt von der Installation im Jahr 2019-2020.

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: 22.03.2016

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 proton-proton à très haute énergie (de l'ordre de 100'000 par seconde). L'étude de certaines désintégrations des particules contenant un quark lourd b ou c (dont certaines sont très rares et nécessitent une statistique phénoménale) permet entre autres de tester les prédictions du "Modèle Standard", la théorie minimale décrivant tous les processus connus en physique des particules élémentaires. Si l'expérience démontrait que certaines prédictions sont incorrectes, alors elle révélerait du même coup l'existence de nouveaux phénomènes encore inconnus.
Lay summary

LHCb est une collaboration internationale de plusieurs centaines de physiciens, dont deux groupes suisses à l'EPFL (profs A. Bay, T. Nakada et O. Schneider) et à l'Université de Zurich (profs N. Serra et U. Straumann). Ces groupes ont pris la responsabilité du développement, de la construction et de l'exploitation d'une 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 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 près de 300 articles scientifiques, mais n'a pas encore 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 de mi-2015 à fin 2018, à une énergie presque doublée. En 2019, l'expérience sera améliorée 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 et en fibres scintillantes lues par des photomultiplicateurs au silicium, cette dernière technologie ayant été proposée par le groupe de l'EPFL. La phase de développement se termine et laisse place maintenant à une phase de construction, avant l'installation prévue en 2019-2020.

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 l'amélioration de l'expérience.

Direct link to Lay Summary Last update: 22.03.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
166208 High Precision CP Violation Physics at LHCb 01.04.2016 Project funding (Div. I-III)
173580 FLARE 2017-2020: Operation and upgrade of the LHCb experiment 01.04.2017 FLARE
178969 LHCb experiment at CERN: Detector Upgrades and Analyses with Electroweak Bosons 01.06.2018 Project funding (Div. I-III)
173598 FLARE: Maintenance & Operation for the LHC Experiments 2017-2020 01.04.2017 FLARE
172614 Searches for Heavy Neutral Leptons at ShiP and LHCb 01.10.2017 Project funding (Div. I-III)
172637 Experimental Particle Physics with the LHCb detector at Cern 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)
144674 Rare decays of B-mesons and the physics of the early Universe 01.07.2013 SNSF Professorships
154218 FLARE 2014-2015: Operation and upgrade of the LHCb experiment 01.04.2014 FLARE
159948 Experimental Particle Physics with the LHCb detector at Cern 01.04.2015 Project funding (Div. I-III)
160433 FLARE: Maintenance & Operation for the LHC Experiments 2015 01.04.2015 FLARE
152784 High Precision CP Violation Physics at LHCb 01.04.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The LHCb detector is designed for precise measurements of CP violation and rare B decays, exploiting the very large heavy quark production at CERN's Large Hadron Collider (LHC). The primary physics aims are to characterize in detail the flavour structure in the quark sector, and look for New Physics effects in the decay of charm and bottom hadrons.During the first LHC running period (November 2009 - February 2013), called Run 1, LHCb has efficiently recorded pp collisions at centre-of-mass energies up to 8 TeV, corresponding to a total integrated luminosity of 3 fb^-1. With these data the LHCb physics programme has been deployed beyond expectations: in total already 285 physics papers have been published or submitted to peer-reviewed journals. Although much new territory has been explored, no phenomenon beyond the Standard Model has been observed so far. After a two-year LHC shutdown, a new four-year run has started this year at 13 TeV (Run 2), during which the experiment is expected to collect 4 times more charm- and beauty-hadron decays than during Run 1. In parallel the collaboration is preparing a major upgrade of the experiment to enable the collection of 5 fb^-1 per year (from 2021 onwards) with improved efficiency.We have played important leadership roles in LHCb since the beginning of the project in 1995. Our detector construction and maintenance responsibilities cover the TELL1 common readout board, the powering system and analogue transmission electronics for the silicon vertex detector VELO, the optical data transmission interface for the whole experiment, and the Silicon Tracker. In addition, we have taken a significant financial responsibility for the online system, including the computer farm for the high-level trigger of the experiment. We are heavily involved in data analysis and in detector R&D in view of the upgrade of the tracking stations upstream and downstream of the dipole magnet. For the downstream tracking stations, we have proposed a new technology based on scintillating fibres read out with silicon photomultipliers.Our objectives for the coming one-year funding period 2016-2017 are the following:- Maintain the detector systems under our responsibility, ensure their full operational state, and operate them at their optimal performance during data-taking;- Analyze the existing and forthcoming data with main emphasis on searches for New Physics effects, and disseminate the physics results (in publications and conference presentations);- Continue and finalize R&D on crucial components for the upgrade of the Upstream Tracker station;- Build, assemble and test components for the new Scintillating-Fibre Tracker of the experiment.We ask SNSF/FLARE to help us achieve our objectives through the funding of two technical positions associated with the tracker projects, as well as a continued contribution to the investment in the LHCb upgrade.This FLARE proposal is a continuation of our current FLARE grant and is mirrored by our regular SNSF grants, from which we obtain funding to support our involvement in the LHCb project (salaries, consumables, and travel expenses), in particular for the exploitation of the physics data. Additional funding for Maintenance and Operations (M&O) costs is asked for in a separate FLARE request common to all LHC experiments with Swiss participation.
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