Впервые физики обнаружили признаки нейтрино на Большом адронном коллайдере.

Teach First at CERN Facility Preview для предстоящей трехлетней исследовательской кампании.

Международная группа экспериментов по прямому поиску, возглавляемая физиками из Калифорнийского университета в Ирвине, впервые в истории обнаружила нейтрино-кандидат, произведенный Большим адронным коллайдером в ЦЕРН Объект недалеко от Женевы, Швейцария.

В исследовательской статье, опубликованной в журнале 24 ноября 2021 г. физический обзор dВ 2018 году исследователи описали, как они наблюдали шесть взаимодействий нейтрино во время экспериментального запуска детектора эмульсии под давлением, установленного на LHC в 2018 году.

«До этого проекта в коллайдере частиц не было никаких следов нейтрино», — сказал соавтор Джонатан Фенг, заслуженный профессор физики и астрономии Калифорнийского университета и один из руководителей коллаборации FASER. «Этот важный 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 информации.

Одобренный ЦЕРН детектор частиц FASER, который будет установлен на Большом адронном коллайдере в 2019 году, недавно был дополнен детектором нейтрино. Команда FASER во главе с UCI использовала меньший детектор того же типа в 2018 году, чтобы сделать первые наблюдения неуловимых частиц, генерируемых на коллайдере. Исследователи заявили, что новый прибор сможет обнаруживать тысячи взаимодействий нейтрино в течение следующих трех лет. Источник изображения: ЦЕРН

«Во-первых, убедитесь, что переднее положение точки взаимодействия ATLAS в LHC является правильным местом для обнаружения нейтрино коллайдера», — сказал Фэн. «Во-вторых, наши усилия продемонстрировали эффективность использования детектора эмульсии для отслеживания этих типов нейтринных взаимодействий».

Экспериментальный прибор состоял из пластин свинца и вольфрама, чередующихся со слоями эмульсии. Во время столкновений частиц в LHC некоторые нейтрино врезались в плотные металлические ядра, создавая частицы, которые проходят через слои эмульсии и оставляют видимые следы после обработки. Эти надписи дают ключ к разгадке энергии и аромата частицы — тау, мюона или электрона — и того, являются ли они нейтрино или антинейтрино.

По словам Фэна, эмульсия работает аналогично фотографии в доцифровую эпоху. Когда 35-миллиметровая пленка подвергается воздействию света, фотоны оставляют следы, которые выглядят как узоры по мере проявления пленки. Исследователи FASER также смогли увидеть взаимодействия нейтрино после того, как слои эмульсии в детекторе были удалены и проявлены.

«После проверки эффективности подхода с использованием детектора эмульсии при наблюдении взаимодействий нейтрино, генерируемых коллайдером частиц, команда FASER теперь устанавливает новую серию экспериментов с полным прибором, который намного больше и значительно более чувствителен», — сказал Фенг. .

Эксперимент FASER расположен в 480 метрах от точки взаимодействия Атлас на Большом адронном коллайдере. По словам Джонатана Фенга, заслуженного профессора физики и астрономии Калифорнийского университета и соруководителя коллаборации FASER, это хорошее место для обнаружения нейтрино от столкновений частиц на объекте. Источник изображения: ЦЕРН

С 2019 года он и его коллеги готовятся к проведению эксперимента с использованием инструментов FASER для изучения темной материи LHC. Они надеются обнаружить темные фотоны, которые дадут исследователям первоначальное представление о том, как темная материя взаимодействует с естественными атомами и другим веществом во Вселенной посредством сил, отличных от гравитации.

Благодаря успешной работе над нейтрино за последние несколько лет команда FASER, состоящая из 76 физиков из 21 института в 9 странах, объединила новый детектор эмульсии с прибором FASER. В то время как экспериментальный детектор весит около 64 фунтов, прибор FASERnu будет весить более 2400 фунтов, он будет более реактивным и сможет различать типы нейтрино.

сказал соавтор Дэвид Каспер, руководитель совместного проекта FASER и доцент кафедры физики и астрономии в UCI. «Мы откроем нейтрино самых высоких энергий, которые были произведены из искусственного источника».

По его словам, уникальность FASERnu заключается в том, что в то время как в других экспериментах удалось различить один или два типа нейтрино, они смогут наблюдать все три разновидности нейтрино, а также их аналоги-антинейтрино. Каспер сказал, 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.

«Это невероятно увлекательная связь с традициями физического факультета здесь, в UCI», — сказал Фен, продолжая наследие Фредерика Рейнса, одного из основателей UCI, получившего Нобелевскую премию по физике за то, что он первым открыл нейтрино. «

«Мы провели эксперимент мирового уровня в ведущей в мире лаборатории физики элементарных частиц в рекордно короткие сроки и с использованием очень нетрадиционных ресурсов», — сказал Каспер. «Мы очень признательны Фонду Хейзинг-Саймонса и Фонду Саймонса, а также Японскому обществу содействия науке и ЦЕРН, которые оказали нам щедрую поддержку».

Ссылка: «Первые кандидаты на взаимодействие нейтрино в LHC» Хенсо Абреу и др. (Сотрудничество с FASER), 24 ноября 2021 г., доступно здесь. физический обзор d.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.L091101

Саванна Шивли и Джейсон Аракава, доктор философии из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Студенты-физики и астрономы также внесли свой вклад в исследование.