Po raz pierwszy fizycy wykryli oznaki neutrin w Wielkim Zderzaczu Hadronów

Teach First w CERN Facility Preview na nadchodzącą 3-letnią kampanię badawczą.

Międzynarodowy zespół Forward Search Experiment, kierowany przez fizyków z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, dokonał pierwszego w historii wykrycia potencjalnego neutrina wyprodukowanego przez Wielki Zderzacz Hadronów w CERN Obiekt w pobliżu Genewy, Szwajcaria.

W artykule naukowym opublikowanym w czasopiśmie 24 listopada 2021 r. fizyczny przegląd dW 2018 roku naukowcy opisali, jak zaobserwowali sześć interakcji neutrin podczas eksperymentalnego uruchomienia ciśnieniowego detektora emulsji zainstalowanego w LHC w 2018 roku.

„Przed tym projektem nie było śladu neutrin w zderzaczu cząstek” – powiedział współautor Jonathan Feng, wybitny profesor fizyki i astronomii UCI oraz współkierownik współpracy FASER. „Ten ważny przełom jest krokiem w kierunku głębszego zrozumienia tych nieuchwytnych cząstek i roli, jaką odgrywają we wszechświecie”.

Powiedział, że odkrycie dokonane podczas pilota dało jego zespołowi dwie ważne informacje.

Zatwierdzony przez CERN detektor cząstek FASER, który ma zostać zainstalowany w Wielkim Zderzaczu Hadronów w 2019 roku, został niedawno wzbogacony o detektor neutrin. Zespół FASER kierowany przez UCI użył mniejszego detektora tego samego typu w 2018 roku, aby dokonać pierwszych obserwacji nieuchwytnych cząstek generowanych w zderzaczu. Naukowcy powiedzieli, że nowy instrument będzie w stanie wykryć tysiące interakcji neutrin w ciągu najbliższych trzech lat. Źródło obrazu: CERN

„Najpierw sprawdź, czy przednia pozycja punktu interakcji ATLAS w LHC jest właściwą lokalizacją do wykrywania neutrin zderzających” – powiedział Feng. „Po drugie, nasze wysiłki wykazały skuteczność wykorzystania detektora emulsji do monitorowania tego typu oddziaływań neutrin”.

Przyrząd doświadczalny składał się z płytek ołowianych i wolframowych naprzemiennie z warstwami emulsji. Podczas zderzeń cząstek w LHC niektóre neutrina powodowały rozpadanie się gęstych metalowych rdzeni, tworząc cząstki, które przechodzą przez warstwy emulsji i tworzą widoczne ślady po obróbce. Inskrypcje te dostarczają wskazówek na temat energii i smaków cząstki – tau, mionu lub elektronu – oraz tego, czy są to neutrina, czy antyneutrina.

Zdaniem Fenga emulsja działa podobnie do fotografii sprzed ery aparatu cyfrowego. Gdy film 35 mm jest wystawiony na działanie światła, fotony pozostawiają ślady, które pojawiają się jako wzory podczas wywoływania filmu. Badacze z projektu FASER byli również w stanie zaobserwować interakcje neutrin po usunięciu i rozwinięciu warstw emulsji w detektorze.

„Po zweryfikowaniu skuteczności podejścia detektora emulsji w obserwowaniu interakcji neutrin generowanych przez zderzacz cząstek, zespół FASER przygotowuje teraz nową serię eksperymentów z kompletnym instrumentem, który jest znacznie większy i znacznie czulszy” – powiedział Feng. .

Eksperyment FASER znajduje się 480 metrów od punktu interakcji Atlas w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Według Jonathana Fenga, wybitnego profesora fizyki i astronomii UCI oraz współkierownika współpracy FASER, jest to dobre miejsce do wykrywania neutrin ze zderzeń cząstek w obiekcie. Źródło obrazu: CERN

Od 2019 roku wraz z kolegami przygotowuje się do przeprowadzenia eksperymentu z wykorzystaniem instrumentów FASER do zbadania ciemnej materii LHC. Mają nadzieję odkryć ciemne fotony, które dadzą naukowcom wstępny wgląd w to, jak ciemna materia oddziałuje z naturalnymi atomami i inną materią we wszechświecie poprzez siły inne niż grawitacja.

Po sukcesie swojej pracy nad neutrinami w ciągu ostatnich kilku lat, zespół FASER – składający się z 76 fizyków z 21 instytucji w 9 krajach – łączy nowy detektor emulsji z instrumentem FASER. Podczas gdy eksperymentalny detektor waży około 64 funtów, instrument FASERnu będzie ważył ponad 2400 funtów i będzie bardziej reaktywny i zdolny do rozróżniania typów neutrin.

powiedział współautor David Kasper, lider współprojektu FASER i profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii na UCI. „Odkryjemy neutrina o najwyższej energii, które zostały wyprodukowane ze źródła stworzonego przez człowieka”.

Powiedział, że to, co czyni FASERnu wyjątkowym, to fakt, że podczas gdy inne eksperymenty były w stanie rozróżnić jeden lub dwa rodzaje neutrin, będą one w stanie zaobserwować wszystkie trzy smaki, jak również ich odpowiedniki antyneutrinowe. Casper powiedział, że w całej historii ludzkości było tylko około 10 obserwacji neutrin taonowych, ale spodziewa się, że jego zespół będzie w stanie podwoić lub potroić tę liczbę w ciągu najbliższych trzech lat.

„To niesamowicie fascynujące połączenie z tradycją na wydziale fizyki w UCI”, powiedział Feng, kontynuując spuściznę Fredericka Rainesa, członka założyciela wydziału UCI, który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za to, że jako pierwszy odkrył neutrina. „

„Zrealizowaliśmy światowej klasy eksperyment w wiodącym na świecie laboratorium fizyki cząstek elementarnych w rekordowym czasie i przy użyciu bardzo niekonwencjonalnych zasobów” – powiedział Casper. „Mamy ogromny dług wdzięczności wobec Fundacji Heising-Simons i Fundacji Simonsa, a także Japońskiego Towarzystwa Promocji Nauki i CERN, które hojnie nas wsparły”.

Odniesienie: „Pierwsi kandydaci na oddziaływanie neutrin w LHC” Henso Abreu et al. (Współpraca FASER), 24 listopada 2021 r., Dostępne tutaj. fizyczny przegląd d.
DOI: 10.1103/PhysRevD.104.L091101

Savannah Shivley i dr Jason Arakawa z UCLA. Wkład w badania wnieśli także studenci fizyki i astronomii.