Am 5. Juli 2022 begannen nach einer dreieinhalbjährigen Pause, die als Long Shutdown 2 (LS2) bekannt ist, wieder Protonen im LHCb-Detektor zu kollidieren und markierten damit den Beginn des dritten Laufs des Large Hadron Collider (LHC).
Während dieser Zeit wurde der ursprüngliche LHCb-Detektor am LHC weitgehend abgebaut und ein fast völlig neuer Detektor gebaut. Die vom CERN-Rat genehmigte Aktualisierung der europäischen Strategie für Teilchenphysik im Jahr 2020 unterstützte nachdrücklich die Ausschöpfung des vollen Potenzials des LHC für die Erforschung der Flavourphysik.
Ein weiteres Upgrade des LHCb-Detektors, bekannt als Upgrade II, ist geplant, um LHCb zu ermöglichen, mit einer viel höheren momentanen Leuchtkraft zu arbeiten und die anspruchsvollen Datenerfassungsbedingungen des High-Luminosity LHC (HL-LHC) zu bewältigen. Die neuesten technologischen Entwicklungen werden bei der Entwicklung der neuen Detektoren berücksichtigt.
Elektromagnetisches Kalorimeter
Das neue revolutionäre elektromagnetische Kalorimeter, das für LHCb Upgrade II entwickelt wird, wird in der Lage sein, die Ankunftszeit elektromagnetischer Teilchen präzise zu messen. Seine Testmessungen zeigten die Erkennung hochenergetischer Elektronen mit einer Genauigkeit von 20 Pikosekunden. Dies ist das erste Mal, dass mit einem elektromagnetischen Kalorimeter in der Teilchenphysik eine so hervorragende Leistung erzielt wurde.
Das neue Kalorimeter wird eine feinere Körnung aufweisen, wodurch es eine viel höhere Teilchendichte bei höherer momentaner Leuchtkraft bewältigen kann. Die Leuchtkraft ist ein wichtiger Indikator für die Leistung eines Beschleunigers: Sie ist proportional zur Anzahl der Teilchenkollisionen, die in einer bestimmten Zeitspanne stattfinden.
Die Technologie für die neuen LHCb-Kalorimetermodule basiert auf dem Konzept des „Spaghetti-Kalorimeters“ (SpaCal), bei dem die Szintillatoren Spaghettisträngen ähneln. Diese Szintillationsfasern sind in den 5180 Längslöchern des SpaCal-Moduls untergebracht. Das Kalorimeter besteht aus Modulen mit zwei Arten von Absorbern: SpaCal-W-Module auf Wolframbasis, die mithilfe der Wolfram-3D-Drucktechnologie hergestellt werden, und SpaCal-Pb-Module auf Bleibasis.
Die Zahl der Teilchen, die den Detektor passieren, ist im zentralen Bereich, der das Strahlrohr umgibt, in dem die Protonenstrahlen des LHC zirkulieren, extrem hoch. Das aktuelle LHCb-Kalorimeter besteht aus Shashlik-Modulen. Die Leistung dieser Module nimmt mit der Zeit aufgrund von Strahlungsschäden ab, die durch den großen Teilchenfluss während des Betriebs des LHC verursacht werden.
Während der nächsten langen Abschaltung werden diese degradierten Shashlik-Module im äußersten Zentrum des LHC-Strahlrohrs durch 32 SpaCal-W-Module ersetzt und weitere 144 SpaCal-Pb-Module werden um sie herum platziert.
Ringabbildendes Tscherenkow-System
Bei der Modernisierung des Ringbildgebungs-Tscherenkow-Systems (RICH) wird die gesamte Elektronikkette ausgetauscht. Der Detektor wird mit einem Datenerfassungssystem mit hoher Geschwindigkeit und einem neuartigen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis namens FastRICH ausgestattet, der präzise Zeitstempel von Tscherenkow-Photonen liefern kann. Diese Photonen entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen wie Protonen oder Elektronen sich in einem Medium schneller als Licht bewegen.
Das neue LHCb RICH wird das erste System sein, das über schnelle Zeitmessfunktionen für einzelne Photonen im Hundert-Pikosekunden-Bereich verfügt und erneut zeigt, wie die anspruchsvollen Bedingungen eines Flavour-Physik-Experiments am LHC zu technologischen Durchbrüchen führen können.
Prototypen beider Subdetektoren, SpaCal und RICH, wurden im Beschleunigerkomplex des CERN erfolgreich mit Strahlen des Super Proton Synchrotrons als Vorbereitung auf die HL-LHC-Ära getestet.