Otkriveni znakovi neutrina na Velikom hadronskom sudarivaču
Međunarodni tim Forward Search Experiment, predvođen fizičarima sa Sveučilišta u Kaliforniji, Irvine, postigao je prvu detekciju kandidata za neutrine koje je proizveo Veliki hadronski sudarivač u postrojenju CERN-a u blizini Ženeve u Švicarskoj. U članku, znanstvenici opisuju kako su promatrali šest interakcija neutrina tijekom probnog rada kompaktnog emulzijskog detektora instaliranog na LHC-u 2018.
"Prije ovog projekta, na sudaraču čestica nikada nije viđen nikakav znak neutrina", rekao je koautor Jonathan Feng, ugledni profesor fizike i astronomije UCI-ja i suvoditelj FASER Collaboration. "Ovaj značajan napredak korak je prema razvoju dubljeg razumijevanja ovih nedostižnih čestica i uloge koju igraju u svemiru."
Rekao je da je otkriće napravljeno tijekom pilota njegovom timu dalo dvije ključne informacije. "Prvo je potvrdio da je položaj ispred točke interakcije ATLAS-a na LHC-u pravo mjesto za otkrivanje neutrina sudarača. Drugo, naši su napori pokazali učinkovitost korištenja detektora emulzije za promatranje ovih vrsta interakcija neutrina."
Pilotni instrument bio je sastavljen od olovnih i volframovih ploča koje su se izmjenjivale sa slojevima emulzije. Tijekom sudara čestica na LHC-u, neki od neutrina proizveli su udarce u jezgre u gustim metalima, stvarajući čestice koje putuju kroz slojeve emulzije i stvaraju tragove koji su vidljivi nakon obrade. Ovi gravovi daju naznake o energijama čestica, njihovim okusima - tau, mionima ili elektronima - i jesu li neutrini ili antineutrini.
Prema Fengu, emulzija djeluje na način sličan fotografiji u eri preddigitalne kamere. Kada je 35-milimetarski film izložen svjetlu, fotoni ostavljaju tragove koji se otkrivaju kao uzorci kada se film razvije. Istraživači FASER-a također su mogli vidjeti interakcije neutrina nakon uklanjanja i razvoja emulzijskih slojeva detektora.
"Provjerivši učinkovitost pristupa detektora emulzije za promatranje interakcija neutrina nastalih u sudaraču čestica, tim FASER-a sada priprema novu seriju eksperimenata s punim instrumentom koji je puno veći i znatno osjetljiviji", rekao je Feng.
Od 2019. godine on i njegovi kolege spremaju se provesti eksperiment s FASER instrumentima za istraživanje tamne tvari na LHC-u. Nadaju se da će otkriti tamne fotone, što bi istraživačima omogućilo prvi uvid u interakciju tamne tvari s normalnim atomima i drugom materijom u svemiru putem negravitacijskih sila.
S uspjehom njihovog rada na neutrinama tijekom posljednjih nekoliko godina, tim FASER-a – koji se sastoji od 76 fizičara iz 21 institucije u devet zemalja – kombinira novi detektor emulzije s FASER aparatom. Dok je pilot detektor težio oko 64 funte, instrument FASER bit će više od 2.400 funti, a bit će puno reaktivniji i sposoban razlikovati među neutrinskim varijantama.
"S obzirom na snagu našeg novog detektora i njegovu glavnu lokaciju u CERN-u, očekujemo da ćemo moći snimiti više od 10.000 interakcija neutrina u sljedećem radu LHC-a, počevši od 2022.", rekao je koautor David Casper, suradnik projekta FASER i izvanredni profesor fizike i astronomije na UCI. "Detektirat ćemo neutrine najveće energije koji su ikada proizvedeni iz izvora koje je napravio čovjek."
Ono što čini FASER jedinstvenim, rekao je, jest to što su drugi eksperimenti mogli razlikovati jednu ili dvije vrste neutrina, ali će moći promatrati sva tri okusa plus njihove antineutrinske kolege. Casper je rekao da je bilo samo oko 10 promatranja tau neutrina u cijeloj ljudskoj povijesti, ali da očekuje da će njegov tim moći udvostručiti ili utrostručiti taj broj tijekom sljedeće tri godine.
"Proizveli smo eksperiment svjetske klase u vrhunskom svjetskom laboratoriju za fiziku čestica u rekordnom vremenu i s vrlo netradicionalnim izvorima", rekao je Casper.
Izvor: Physical Review D