За първи път физиците откриха признаци на неутрино в Големия адронен колайдер

Преподавайте първо в CERN Facility Preview за предстоящата 3-годишна изследователска кампания.

Международният екип Forward Search Experiment, ръководен от физици от Калифорнийския университет, Ървайн, направи първото по рода си откриване на кандидат неутрино, произведен от Големия адронен колайдер в ЦЕРН Съоръжение близо до Женева, Швейцария.

В изследователска статия, публикувана в списанието на 24 ноември 2021 г физически преглед dПрез 2018 г. изследователите описват как са наблюдавали шест взаимодействия на неутрино по време на експериментално изпълнение на детектор за емулсия под налягане, инсталиран в LHC през 2018 г.

„Преди този проект нямаше следи от неутрино в колайдера на частици“, каза съавторът Джонатан Фън, изтъкнат професор по физика и астрономия на UCI и съ-лидер на сътрудничеството FASER. „Този важен пробив е стъпка към развитието на по-задълбочено разбиране на тези неуловими частици и ролята, която те играят във Вселената.“

Той каза, че откритието, направено по време на пилота, е дало на екипа му две важни информация.

Одобреният от CERN детектор за частици FASER, който ще бъде инсталиран на Големия адронен колайдер през 2019 г., наскоро беше подобрен с детектор за неутрино. Екипът на FASER, ръководен от UCI, използва по-малък детектор от същия тип през 2018 г., за да направи първите наблюдения на неуловимите частици, генерирани в колайдера. Изследователите казаха, че новият инструмент ще може да открива хиляди взаимодействия на неутрино през следващите три години. Източник на изображението: CERN

„Първо, проверете дали предната позиция на точката на взаимодействие на ATLAS в LHC е правилното място за откриване на колайдерни неутрино“, каза Фън. „Второ, нашите усилия демонстрираха ефективността на използването на емулсионен детектор за наблюдение на тези видове неутрино взаимодействия.“

Експерименталният инструмент е съставен от оловни и волфрамови плочи, редуващи се със слоеве емулсия. По време на сблъсъци на частици в LHC, някои неутрино причиняват разпадането на плътните метални ядра, създавайки частици, които преминават през слоевете на емулсията и създават видими следи след обработка. Тези надписи дават улики за енергиите и вкуса на частиците – тау, мюон или електрон – и дали са неутрино или антинеутрино.

Според Фън, емулсията работи по подобен начин на фотографията в ерата на преддигиталните фотоапарати. Когато 35 mm филм е изложен на светлина, фотоните оставят следи, които изглеждат като модели, докато филмът се развива. Изследователите на FASER също успяха да видят неутрино взаимодействия, след като емулсионните слоеве в детектора бяха отстранени и развити.

„След като провери ефективността на подхода на емулсионния детектор при наблюдение на взаимодействията на неутрино, генерирани от колайдера на частици, екипът на FASER сега създава нова серия от експерименти с пълен инструмент, който е много по-голям и значително по-чувствителен“, каза Фън .

Експериментът FASER се намира на 480 метра от точката на взаимодействие Atlas в Големия адронен колайдер. Според Джонатан Фън, изтъкнат професор по физика и астрономия на UCI и съ-лидер на сътрудничеството FASER, това е добро място за откриване на неутрино от сблъсъци на частици в съоръжението. Източник на изображението: CERN

От 2019 г. той и колегите му се подготвят да проведат експеримент с помощта на инструментите FASER за изследване на тъмната материя на LHC. Те се надяват да открият тъмни фотони, което ще даде на изследователите първоначален поглед върху това как тъмната материя взаимодейства с естествените атоми и друга материя във Вселената чрез сили, различни от гравитацията.

С успеха на тяхната неутрино работа през последните няколко години, екипът на FASER – съставен от 76 физици от 21 институции в девет страни – комбинира нов детектор за емулсия с инструмента FASER. Докато експерименталният детектор тежи около 64 паунда, инструментът FASERnu ще бъде повече от 2400 паунда и ще бъде по-реактивен и ще може да прави разлика между видовете неутрино.

каза съавторът Дейвид Каспър, съвместен ръководител на проекта FASER и доцент по физика и астрономия в UCI. „Ще открием най-високоенергийните неутрино, които са били произведени от изкуствен източник.“

Това, което прави FASERnu уникален, каза той, е, че докато други експерименти са успели да разграничат един или два вида неутрино, те ще могат да наблюдават и трите вкуса, както и техните антинеутрино. Каспър каза, че е имало само около 10 наблюдения на тау неутрино през цялата човешка история, но той очаква екипът му да може да удвои или утрои този брой през следващите три години.

„Това е невероятно завладяваща връзка с традицията във катедрата по физика тук в UCI“, каза Фън, като продължава наследството на Фредерик Рейнс, член-основател на UCI, който спечели Нобелова награда по физика за това, че е първият, открил неутрино. „

„Проведохме експеримент от световна класа в най-голямата световна лаборатория по физика на елементарните частици за рекордно време и с много нетрадиционни ресурси“, каза Каспър. „Дължим огромна благодарност към фондацията на Хейзинг-Саймънс и фондацията Симонс, както и към Японското дружество за насърчаване на науката и CERN, които щедро ни подкрепиха.

Справка: „Първите кандидати за взаимодействието на неутрино в LHC“ от Henso Abreu et al. (FASER Collaboration), 24 ноември 2021 г., достъпно тук. физически преглед d.
DOI: 10.1103/ PhysRevD.104.L091101

Савана Шивли и Джейсън Аракава, д-р от UCLA. Студентите по физика и астрономия също допринесоха за изследването.