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FLARE 2017-2020: Operation and upgrade of the LHCb experiment

English title FLARE 2017-2020: Operation and upgrade of the LHCb experiment
Applicant Schneider Olivier
Number 173580
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 01.04.2017 - 31.03.2021
Approved amount 2'334'452.00
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Keywords (12)

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

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 ein internationales Experiment, das von mehreren hundert Physikern ausgeführt wird, zu welchen auch die Forschungsgruppen der Professoren A. Bay, T. Nakada, O. Schneider (EPFL), N. Serra und U. Straumann (Universität Zürich) zählen. Die beiden Schweizer Gruppen trugen die Verantwortung für Entwicklung, Konstruktion und Betrieb verschiedener Bestandteile des Experiments, z.B. Silizium-Spurdetektoren und elektronischer Signalauslese. Während der ersten Betriebsperiode 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. Über 360 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 höhere Anzahl von Kollisionen analysiert werden.

Mit beinahe verdoppelter Energie des LHC sammelt das Experiment in einer zweiten Phase (2015-2018) weitere Daten. Nachher ist eine Erneuerung des Experiments vorgesehen, die sein Potential verzehnfachen soll. Dafür müssen neue Detektoren und leistungsfähigere Elektronik entwickelt werden. Nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten bauen die Schweizer Forschungsgruppen nun die neuen "Spur-Detektoren" aus Silizium und aus szintillierenden Fasern, die mit Silizium-Fotodetektoren (eine von der EPFL-Gruppe entwickelte Technologie) abgelesen werden. Installation und Inbetriebnahme sind für eine dritte Betriebsphase ab 2021 geplant.

Der Zuschuss des FLARE Programms erlaubt 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: 22.03.2017

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 plus de 360 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, avant d'être améliorée afin d'en décupler le potentiel. Pour ceci il a fallu développer de nouveaux détecteurs et une nouvelle électronique plus performants. Après la phase de développement, les groupes suisses travaillent maintenant 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. L'installation et la mise en service sont prévues avant le troisième période d'exploitation dès 2021.

Le subside FLARE permet aux groupes de l'EPFL et de l'Université de Zurich de financer deux postes techniques pour la maintenance et la 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: 22.03.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
172637 Experimental Particle Physics with the LHCb detector at Cern 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)
166915 FLARE 2016: Operation and upgrade of the LHCb experiment 01.04.2016 FLARE
185050 High Precision Flavour Physics at LHCb 01.04.2019 Project funding (Div. I-III)
166914 FLARE: Maintenance & Operation for the LHC Experiments 2016 01.04.2016 FLARE
201466 FLARE - CSCS Tier 2 LHC Computing Infrastructure 01.04.2021 FLARE
204238 Understanding the Flavour Anomalies 01.10.2021 Project funding (Div. I-III)
201480 FLARE 2021-2022: Operation and upgrade of the LHCb experiment 01.04.2021 FLARE
144674 Rare decays of B-mesons and the physics of the early Universe 01.07.2013 SNSF Professorships
166208 High Precision CP Violation Physics at LHCb 01.04.2016 Project funding (Div. I-III)
159948 Experimental Particle Physics with the LHCb detector at Cern 01.04.2015 Project funding (Div. I-III)
155990 Search for hidden particles: exploring the high intensity frontier 01.01.2016 SNSF Starting Grants

Abstract

The LHCb detector is designed to exploit 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 (Nov. 2009 - Feb. 2013), called Run 1, LHCb efficiently recorded 3 fb^-1 of pp collisions at centre-of-mass energies up to 8 TeV. With these data the LHCb physics programme has been deployed beyond expectations, with over 360 physics papers submitted to peer-reviewed journals. Much new territory has been explored, without phenomena beyond the Standard Model observed yet, but with a few intriguing ``flavour anomalies''. In the current four-year running period at 13 TeV (Run 2, 2015-2018), 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 detector upgrade targeting 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. We are heavily involved in data analysis and upgrade of the tracking stations, both 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 four-year funding period 2017-2020 are the following:- Maintain the detector systems under our responsibility and operate them at their optimal performance throughout Run 2;- 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);- Build and test components for LHCb's new Upstream Tracker and new Scintillating-Fibre Tracker; assemble and commission these detectors.- Initiate new R&D towards the consolidation of the upgraded experiment.To meet these goals we ask SNSF/FLARE funding for two technical positions associated with the tracker projects, for investment in the LHCb detector upgrade, for the replacement of data analysis computing hardware at EPFL, and for the new R&D activities.This FLARE proposal is a continuation of our current FLARE grant and is mirrored by our SNSF project grants, which 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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