Pierwsza obserwacja neutrin w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN

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.

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.

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.