Pentru prima dată, fizicienii au detectat semne de neutrini la Large Hadron Collider

Teach First la CERN Facility Preview pentru viitoarea campanie de cercetare de 3 ani.

Echipa internațională Forward Search Experiment, condusă de fizicieni de la Universitatea din California, Irvine, a realizat prima detectare vreodată a unui neutrin candidat produs de Large Hadron Collider la CERN Unitate lângă Geneva, Elveția.

Într-o lucrare de cercetare publicată în jurnal pe 24 noiembrie 2021 revizuire fizică dÎn 2018, cercetătorii descriu modul în care au observat șase interacțiuni cu neutrini în timpul unei rulări experimentale a unui detector de emulsie sub presiune instalat la LHC în 2018.

„Înainte de acest proiect, nu existau semne de neutrini în ciocnitorul de particule”, a spus co-autorul Jonathan Feng, profesor distins de fizică și astronomie UCI și co-lider al Colaborării FASER. „Această descoperire importantă este un pas către dezvoltarea unei înțelegeri mai profunde a acestor particule evazive și a rolului pe care îl joacă în univers”.

El a spus că descoperirea făcută în timpul pilotului a oferit echipei sale două informații importante.

Detectorul de particule FASER, aprobat de CERN, care urmează să fie instalat la Large Hadron Collider în 2019, a fost recent îmbunătățit cu un detector de neutrini. Echipa FASER condusă de UCI a folosit un detector mai mic de același tip în 2018 pentru a face primele observații ale particulelor evazive generate la colisionator. Cercetătorii au spus că noul instrument va fi capabil să detecteze mii de interacțiuni cu neutrini în următorii trei ani. Sursa imagine: CERN

„În primul rând, verificați dacă poziția înainte a punctului de interacțiune ATLAS din LHC este locația corectă pentru detectarea neutrinilor de coliziune”, a spus Feng. „În al doilea rând, eforturile noastre au demonstrat eficiența utilizării unui detector de emulsie pentru a monitoriza aceste tipuri de interacțiuni cu neutrini”.

Instrumentul experimental a fost compus din plăci de plumb și wolfram alternate cu straturi de emulsie. În timpul ciocnirilor de particule în LHC, unii neutrini au determinat ruperea nucleelor ​​dense de metal, creând particule care călătoresc prin straturile emulsiei și creează urme vizibile după procesare. Aceste inscripții oferă indicii despre energiile și aromele particulei – tau, muon sau electroni – și dacă sunt neutrini sau antineutrini.

Potrivit lui Feng, emulsia funcționează într-un mod similar cu fotografia din era camerelor pre-digitale. Când filmul de 35 mm este expus la lumină, fotonii lasă urme care apar ca modele pe măsură ce filmul este dezvoltat. Cercetătorii FASER au putut, de asemenea, să vadă interacțiunile cu neutrini după ce straturile de emulsie din detector au fost îndepărtate și dezvoltate.

„După ce a verificat eficiența abordării detectorului de emulsie în observarea interacțiunilor neutrinilor generați de ciocnitorul de particule, echipa FASER înființează acum o nouă serie de experimente cu un instrument complet, care este mult mai mare și semnificativ mai sensibil”, a spus Feng. .

Experimentul FASER este situat la 480 de metri de punctul de interacțiune Atlas la Large Hadron Collider. Potrivit lui Jonathan Feng, profesor distins de fizică și astronomie UCI și co-lider al colaborării FASER, acesta este un loc bun pentru detectarea neutrinilor din ciocnirile de particule la instalație. Sursa imagine: CERN

Din 2019, el și colegii săi s-au pregătit să efectueze un experiment folosind instrumentele FASER pentru a examina materia întunecată a LHC. Ei speră să descopere fotoni întunecați, ceea ce va oferi cercetătorilor o privire inițială asupra modului în care materia întunecată interacționează cu atomii naturali și cu alte materii din univers prin alte forțe decât gravitația.

Odată cu succesul muncii lor pe neutrini din ultimii ani, echipa FASER – formată din 76 de fizicieni din 21 de instituții din 9 țări – combină un nou detector de emulsie cu instrumentul FASER. În timp ce detectorul experimental cântărește aproximativ 64 de lire sterline, instrumentul FASERnu va avea mai mult de 2.400 de lire sterline și va fi mai reactiv și capabil să distingă între tipurile de neutrini.

a spus co-autorul David Kasper, co-proiect FASER-lider și profesor asociat de fizică și astronomie la UCI. „Vom descoperi neutrinii cu cea mai mare energie care au fost produși dintr-o sursă creată de om”.

Ceea ce face FASERnu unic, a spus el, este că, în timp ce alte experimente au reușit să distingă între unul sau două tipuri de neutrini, ei vor putea observa toate cele trei arome, precum și omologii lor antineutrini. Casper a spus că au fost doar aproximativ 10 observații de neutrini tau în toată istoria omenirii, dar se așteaptă ca echipa sa va fi capabilă să dubleze sau să tripleze acest număr în următorii trei ani.

„Aceasta este o legătură incredibil de fascinantă cu tradiția din departamentul de fizică de aici la UCI”, a spus Feng, în timp ce continuă moștenirea lui Frederick Raines, membru fondator al facultății la UCI, care a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică pentru că a fost primul care a descoperit neutrini. „

„Am realizat un experiment de clasă mondială la cel mai important laborator de fizică a particulelor din lume în timp record și cu resurse foarte neconvenționale”, a spus Casper. „Avem o mare datorie de recunoștință față de Fundația Heising-Simons și Fundația Simons, precum și către Societatea Japoneză pentru Promovarea Științei și CERN, care ne-au susținut cu generozitate”.

Referință: „Primii candidați pentru interacțiunea cu neutrini în LHC” de Henso Abreu și colab. (Colaborare FASER), 24 noiembrie 2021, disponibil aici. revizuire fizică d.
DOI: 10.1103/ PhysRevD.104.L091101

Savannah Shivley și Jason Arakawa, Ph.D. de la UCLA. La cercetare au contribuit și studenții la fizică și astronomie.