Физики ЦЕРН впервые обнаружили нейтрино от Большого адронного коллайдера
Международная группа экспериментов, возглавляемая физиками из Калифорнийского университета в Ирвине, впервые в истории обнаружила кандидатов в нейтрино, произведенные Большим адронным коллайдером.
В своей статье исследователи описывают, как они наблюдали шесть взаимодействий нейтрино во время пилотного запуска компактного детектора эмульсии FASERν, установленного на БАК в 2018 году.
«До этого проекта на коллайдере частиц никогда не наблюдалось никаких признаков нейтрино», — сказал соавтор работы Джонатан Фенг, заслуженный профессор физики и астрономии Калифорнийского университета и один из руководителей коллаборации FASER. «Этот значительный прорыв — шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной».
Он сказал, что открытие, сделанное во время пилотного проекта, дало его команде две важные части информации.
«Во-первых, он подтвердил, что положение перед точкой взаимодействия ATLAS на БАК является правильным местом для обнаружения нейтрино коллайдера», — сказал Джонатан Фенг. «Во-вторых, наши усилия продемонстрировали эффективность использования детектора эмульсии для наблюдения такого рода нейтринных взаимодействий».
Прибор FASERν состоял из пластин свинца и вольфрама, чередующихся со слоями эмульсии. Во время столкновений частиц в БАК некоторые из нейтрино врезаются в ядра плотных металлов, создавая частицы, которые проходят через слои эмульсии и оставляют видимые следы после обработки. Эти следы дают представление об энергиях частиц, их аромате — тау, мюоне или электроне — и о том, нейтрино они или антинейтрино.
По словам ученых, эмульсия действует аналогично фотографии в доцифровую эпоху. Когда 35-миллиметровая пленка подвергается воздействию света, фотоны оставляют следы, которые проявляются в виде узоров при проявлении пленки. Исследователи FASER также смогли увидеть взаимодействия нейтрино после удаления и проявления эмульсионных слоев детектора.
С 2019 года физики готовятся к проведению эксперимента с приборами FASER по исследованию темной материи на БАК. Они надеются обнаружить темные фотоны, что даст исследователям первое представление о том, как темная материя взаимодействует с нормальными атомами и другим веществом во Вселенной посредством негравитационных сил.
Благодаря успешной работе над нейтрино за последние несколько лет команда FASER, состоящая из 76 физиков из 21 института в девяти странах, объединяет новый детектор эмульсии с аппаратом FASER. В то время как пилотный детектор весил около 29 кг, новый прибор FASERnu будет весить более 1200 кг, и он будет намного более быстрым и сможет различать разновидности нейтрино.
«Учитывая мощность нашего нового детектора и его удобное расположение в ЦЕРНе, мы ожидаем, что сможем зарегистрировать более 10 000 нейтринных взаимодействий в следующем запуске БАК, начиная с 2022 года», — сказал соавтор проекта Дэвид Каспер. «Мы обнаружим нейтрино с самой высокой энергией, которые когда-либо производились из искусственного источника».
По его словам, уникальность FASERnu заключается в том, что в то время как в других экспериментах можно было различать один или два типа нейтрино, с его помощью можно будет наблюдать все три типа нейтрино и их аналоги в виде антинейтрино. Он говорит, что за всю историю человечества было всего около 10 наблюдений тау-нейтрино, но он ожидает, что его команда сможет удвоить или утроить это число в течение следующих трех лет.
Результаты опубликованы в журнале Physical Review D.