Признаки нейтрино на большом адронном коллайдере, обнаруженные физиками

В статье, опубликованной в журнале Физический обзор D, исследователи описывают, как они наблюдали шесть взаимодействий нейтрино во время пилотного запуска компактного детектора эмульсии, установленного на LHC в 2018 году.

Большой адронный коллайдер. Панорамный плакат с трехмерной интеграцией диполей Предоставлено: ЦЕРН.

«До этого проекта на коллайдере частиц никогда не наблюдалось никаких признаков нейтрино», — сказал соавтор Джонатан Фенг, заслуженный профессор физики и астрономии UCI и соруководитель коллаборации FASER. «Этот значительный прорыв — шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной».

Он сказал, что открытие, сделанное во время пилотного проекта, дало его команде две важные части информации.

«Во-первых, он подтвердил, что положение перед точкой взаимодействия ATLAS на LHC является правильным местом для обнаружения нейтрино коллайдера», — сказал Фэн. «Во-вторых, наши усилия продемонстрировали эффективность использования детектора эмульсии для наблюдения такого рода нейтринных взаимодействий».

Пилотный прибор состоял из пластин свинца и вольфрама, чередующихся со слоями эмульсии. Во время столкновений частиц на LHC некоторые из нейтрино врезаются в ядра в плотных металлах, создавая частицы, которые проходят через слои эмульсии и оставляют видимые следы после обработки. Эти гравюры дают представление об энергиях частиц, их аромате — тау, мюоне или электроне — и о том, нейтрино они или антинейтрино.

По словам Фэна, эмульсия действует аналогично фотографии в доцифровую эпоху. Когда 35-миллиметровая пленка подвергается воздействию света, фотоны оставляют следы, которые проявляются в виде узоров при проявлении пленки. Исследователи FASER также смогли увидеть взаимодействия нейтрино после удаления и проявления эмульсионных слоев детектора.

«Проверив эффективность подхода детектора эмульсии для наблюдения взаимодействий нейтрино, производимых на коллайдере частиц, команда FASER теперь готовит новую серию экспериментов с полноценным прибором, который намного больше и значительно более чувствителен», — сказал Фенг.

Детектор частиц FASER, который получил одобрение ЦЕРН для установки на Большом адронном коллайдере в 2019 году, недавно был дополнен прибором для обнаружения нейтрино. Команда FASER под руководством UCI использовала меньший детектор того же типа в 2018 году, чтобы сделать первые наблюдения неуловимых частиц, генерируемых на коллайдере. По словам исследователей, новый прибор сможет обнаруживать тысячи взаимодействий нейтрино в течение следующих трех лет. Кредит: ЦЕРН

С 2019 года он и его коллеги готовятся к проведению эксперимента с приборами FASER по исследованию темной материи на LHC. Они надеются обнаружить темные фотоны, что даст исследователям первое представление о том, как темная материя взаимодействует с нормальными атомами и другим веществом во Вселенной посредством негравитационных сил.

Благодаря успешной работе над нейтрино за последние несколько лет команда FASER, состоящая из 76 физиков из 21 института в девяти странах, объединяет новый детектор эмульсии с аппаратом FASER. В то время как пилотный детектор весил около 64 фунтов, прибор FASERnu будет весить более 2400 фунтов, и он будет гораздо более реактивным и сможет различать разновидности нейтрино.

«Учитывая мощность нашего нового детектора и его удобное расположение в ЦЕРНе, мы ожидаем, что сможем зарегистрировать более 10 000 нейтринных взаимодействий в следующем запуске LHC, начиная с 2022 года», — сказал соавтор Дэвид Каспер, соавтор проекта FASER. -лидер и доцент кафедры физики и астрономии UCI. «Мы обнаружим нейтрино с самой высокой энергией, которые когда-либо производились из искусственного источника».

По его словам, уникальность FASERnu заключается в том, что в то время как в других экспериментах можно было различать один или два типа нейтрино, с его помощью можно будет наблюдать все три разновидности нейтрино и их аналоги-антинейтрино. Каспер сказал, что за всю историю человечества было всего около 10 наблюдений тау-нейтрино, но он ожидает, что его команда сможет удвоить или утроить это число в течение следующих трех лет.

«Это невероятно хорошая связь с традицией физического факультета UCI, — сказал Фенг, — потому что она продолжает наследие Фредерика Райнеса, одного из основателей UCI, который получил Нобелевскую премию по физике за то, что был первым открыл нейтрино ».

«Мы провели эксперимент мирового уровня в ведущей в мире лаборатории физики элементарных частиц в рекордно короткие сроки и с использованием очень нетрадиционных источников», — сказал Каспер. «Мы очень признательны Фонду Хайзинг-Саймонса и Фонду Саймонса, а также Японскому обществу содействия науке и ЦЕРН, которые оказали нам щедрую поддержку».