× Zamknąć
W tunelu TI12 w LHC zainstalowano ostatnie elementy detektora FASER (Forward Search Experiment). Zlokalizowany jest wzdłuż osi zderzenia wiązki, 480 metrów od punktu interakcji ATLAS, w nieczynnym tunelu serwisowym, który wcześniej łączył system SPS ze zderzaczem LEP. FASER rozpoczął zbieranie danych w lipcu 2022 r. na początku 3. serii LHC. Zdjęcia: Maximilian Price; Ordan, Julien, współpraca Wassera.
Neutrina to małe, neutralnie naładowane cząstki uwzględnione w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych. Chociaż szacuje się, że jest to jedna z najliczniejszych cząstek we wszechświecie, dotychczasowa obserwacja okazała się dość trudna, ponieważ prawdopodobieństwo jej interakcji z inną materią jest niskie.
Aby wykryć te cząstki, fizycy wykorzystali zaawansowane detektory i sprzęt do badania znanych źródeł neutrin. Ich wysiłki ostatecznie doprowadziły do obserwacji neutrin pochodzących ze Słońca, promieni kosmicznych, supernowych i innych ciał kosmicznych, a także akceleratorów cząstek i reaktorów jądrowych.
Długoterminowym celem w tej dziedzinie badań była obserwacja neutrin wewnątrz zderzaczy, czyli akceleratorów cząstek, w których zderzają się ze sobą dwie wiązki cząstek. Dwa duże zespoły badawcze, FASER (eksperyment wyszukiwania w przód) i SND (detektor rozpraszania i neutrin) @LHC, po raz pierwszy odkryły te zderzające się neutrina przy użyciu detektorów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN w Szwajcarii. Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.
„Neutrina powstają w dużych ilościach w zderzaczach protonów, takich jak LHC” – powiedział Phys.org Cristovao Vilela, który bierze udział w projekcie SND@LHC. „Jednak do tej pory tych neutrin nigdy nie zaobserwowano bezpośrednio. Bardzo słabe oddziaływanie neutrin z innymi cząstkami sprawia, że są one bardzo trudne do wykrycia, dlatego są najsłabiej zbadaną cząstką w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych”.
Współpraca pomiędzy FASER i SND@LHC to dwa odrębne działania badawcze, przy czym oba wykorzystują Wielki Zderzacz Hadronów w CERN. Niedawno w ramach obu wysiłków niezależnie zaobserwowano pierwsze zderzające się neutrina, co może otworzyć nowe, ważne możliwości badań eksperymentalnych w zakresie fizyki cząstek elementarnych.
× Zamknąć
Nowy eksperyment SND@LHC zainstalowany w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN. Neutrina uderzają w detektor od lewej strony i wchodzą w interakcję z celem, na który świeci latarka. Dżety hadronów i miony wytwarzane w wyniku oddziaływań neutrin są mierzone za pomocą kalorymetru eksperymentalnego, co zaznaczono na zielono. Źródło: Cena, Maksymilian; Współpraca SND@LHC.
Współpraca FASER to duży wysiłek badawczy mający na celu obserwację lekkich i słabo oddziałujących cząstek. FASER była pierwszą grupą badawczą, która zaobserwowała neutrina w LHC, wykorzystując detektor FASER, znajdujący się ponad 400 metrów od słynnego eksperymentu ATLAS, w osobnym tunelu. FASER (oraz SND@LHC) monitoruje neutrina wytwarzane w tym samym „obszarze interakcji” w LHC co ATLAS.
„Zderzacze cząstek istnieją już od ponad 50 lat i odkryły każdą znaną cząstkę z wyjątkiem neutrin” – powiedział Phys.org Jonathan Lee Feng, rzecznik FASER Collaboration. Jednocześnie za każdym razem, gdy wykrywane są neutrina z nowego źródła, czy to reaktora jądrowego, słońca, Ziemi czy supernowej, dowiadujemy się czegoś bardzo ważnego o wszechświecie.W ramach naszych ostatnich prac ustaliliśmy po raz pierwszy w celu wykrycia wytwarzanych neutrin w zderzaczu cząstek.”
Zespół FASER wykrył zderzające się neutrina, umieszczając ich detektor wzdłuż linii wiązki i śledząc ich trajektorie. Wiadomo, że neutrina wysokoenergetyczne powstają głównie w tym miejscu, ale inne detektory w LHC mają martwe punkty w tym kierunku i dlatego nie były w stanie ich obserwować w przeszłości.
„Ponieważ te neutrina mają duże strumienie i wysokie energie, co czyni je bardziej podatnymi na interakcje, byliśmy w stanie wykryć 153 z nich za pomocą bardzo małego i niedrogiego detektora zbudowanego w bardzo krótkim czasie” – wyjaśnił Feng. Wcześniej sądzono, że fizykę cząstek elementarnych można podzielić na dwie części: eksperymenty wysokoenergetyczne, które były wymagane do badania ciężkich cząstek, takich jak kwarki i bozon Higgsa, oraz eksperymenty o dużej gęstości, które były wymagane do badania neutrin. że eksperymenty wysokoenergetyczne również mogłyby być możliwe. Badanie neutrin pozwoliło zatem połączyć granice wysokiej energii i dużej gęstości.
Neutrina odkryte przez Fenga i resztę zespołu FASER mają najwyższą energię, jaką kiedykolwiek zarejestrowano w warunkach laboratoryjnych. Mogą tym samym utorować drogę do dogłębnych badań właściwości neutrin, a także poszukiwań innych nieuchwytnych cząstek.
× Zamknąć
Fragment Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN (po lewej) i nowy eksperyment SND@LHC (po prawej). Neutrina powstają w jednym z punktów zderzenia Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), ukrytego za krzywizną akceleratora, i oddziałują z detektorem SND@LHC po przebyciu około 100 metrów skał i betonu. Źródło: Cena, Maksymilian; Współpraca SND@LHC.
Wkrótce po ogłoszeniu przez FASER pierwszej obserwacji zderzających się neutrin, w ramach współpracy SND@LHC zakończono analizę, stwierdzając osiem dodatkowych zdarzeń w LHC z udziałem neutrin. Eksperyment SND@LHC został zbudowany specjalnie w celu wykrywania neutrin przy użyciu dwumetrowego detektora, strategicznie umieszczonego w miejscu LHC, gdzie strumień neutrin jest duży, ale chronionego przed pozostałościami zderzeń protonów przez około 100 metrów betonu. i skały.
„Nawet przy ich strategicznym położeniu miony o najwyższej energii powstałe w wyniku zderzeń docierają do naszego detektora z szybkością dziesiątki milionów razy większą niż interakcje neutrin” – wyjaśnił Villella. „Miony te generują hadrony, które są neutralne w swoich interakcjach z materiałem otaczającym nasz eksperyment, co z kolei wytwarza w detektorze sygnały podobne do sygnałów neutrin. Pokonanie tego tła było największym wyzwaniem w analizie, w której wykorzystano charakterystyczny wzór ścieżki mionowej związany z deszczem hadronów i brakiem jakichkolwiek naładowanych cząstek wchodzących do detektora w celu identyfikacji interakcji neutrin.
W ramach najnowszego badania zespół SND@LHC przeanalizował dane zebrane przez detektor w okresie od lipca do listopada 2022 r., czyli od pierwszego cyklu operacyjnego. Pierwsze gromadzenie danych okazało się bardzo udane – zespół ostatecznie zarejestrował 95% przekazanych im danych o kolizjach i ostatecznie zaobserwował zdarzenia neutrinowe w zderzaczu.
„Obserwacja zderzających się neutrin otwiera drzwi do nowych pomiarów, które pomogą nam zrozumieć niektóre z podstawowych tajemnic Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych, na przykład dlaczego istnieją trzy generacje cząstek materii (fermiony), które wyglądają jak dokładne kopie siebie nawzajem pod każdym względem” – powiedział Villella. Co więcej, nasz detektor został umieszczony w miejscu, które jest martwym punktem dla większych eksperymentów LHC. Z tego powodu nasze pomiary przyczynią się również do lepszego zrozumienia struktury zderzających się protonów.”
Te niedawne badania przeprowadzone w ramach współpracy FASER i SND@LHC wnoszą znaczący wkład w trwające badania eksperymentalne w fizyce cząstek elementarnych i mogą wkrótce utorować drogę do dalszych przełomów w tej dziedzinie. Teraz, gdy w LHC potwierdzono istnienie neutrin, te dwa eksperymenty będą w dalszym ciągu gromadzić dane, które mogą prowadzić do jeszcze ważniejszych obserwacji.
„Będziemy używać detektora FASER przez wiele lat i spodziewamy się zebrać co najmniej 10 razy więcej danych” – dodał Feng. „Szczególnie interesującym faktem jest to, że w tej początkowej detekcji wykorzystano tylko część detektora. A w nadchodzących latach będziemy mogli wykorzystać pełną moc FASERA do niezwykle szczegółowego mapowania tych interakcji wysokoenergetycznych neutrin. Ponadto pracę w Advanced Physics Facility, czyli Propozycję budowy nowej podziemnej jaskini w LHC, która pozwoliłaby nam na wykrywanie milionów wysokoenergetycznych neutrin, a także poszukiwanie milisekundowych cząstek naładowanych i innych zjawisk związanych z ciemną materią.
więcej informacji:
Henso Abreu i in., First Direct Observation of Colliding Neutrinos Using FASER at the LHC, Listy z przeglądu fizycznego (2023). doi: 10.1103/PhysRevLett.131.031801
R. Albanese i in., Observing the Muon Neutrino Collider Using the SND@LHC Experiment, Listy z przeglądu fizycznego (2023). doi: 10.1103/PhysRevLett.131.031802
© 2023 Web of Science X
„Kawioholik. Fanatyk alkoholu na całe życie. Typowy ekspert podróży. Skłonny do napadów apatii. Internetowy pionier”.
More Stories
Łazik marsjański NASA podąża ścieżką czegoś, co wygląda na starożytną rzekę
SpaceX wystrzeli rakietę Falcon 9 podczas swojego rekordowego 21. lotu – Spaceflight Now
Dlaczego rekiny pływają blisko brzegu? Naukowcy w końcu znaleźli odpowiedź