Fyzici zisťujú známky neutrín vo Veľkom hadrónovom urýchľovači

Tím International Forward Search Experiment, vedený fyzikmi z Kalifornskej univerzity v Irvine, prvýkrát detekoval kandidátov na neutríno produkované Veľkým hadrónovým urýchľovačom v zariadení CERN neďaleko Ženevy vo Švajčiarsku.

V článku uverejnenom dnes v časopise fyzický prehľad dV tomto výskumníci opisujú, ako pozorovali šesť interakcií neutrín počas pilotnej prevádzky kompaktného emulzného detektora inštalovaného na LHC v roku 2018.

„Pred týmto projektom neboli nikdy pozorované žiadne známky neutrín na zrážači častíc,“ povedal spoluautor Jonathan Fang, významný profesor fyziky a astronómie UCI a spolulíder spolupráce FASER. „Tento významný prielom je krokom k hlbšiemu pochopeniu týchto nepolapiteľných častíc a ich úlohy vo vesmíre.“

Povedal, že jeho tím získal dve dôležité informácie z pátrania počas pilota.

„Najprv sa overilo, že poloha vedľa interakčného bodu ATLAS na LHC je správnym miestom na detekciu neutrín zrážača,“ povedal Fang. „Po druhé, naše úsilie preukázalo účinnosť použitia emulzného detektora na pozorovanie týchto typov interakcií neutrín.“

Pilotný prístroj sa skladá z olovených a volfrámových platní, ktoré sa striedajú s vrstvami emulzie. Počas zrážok častíc na LHC sa niektoré neutrína rozbili na jadrá v hustých kovoch, čím sa vytvorili častice, ktoré prechádzajú vrstvami emulzie a vytvárajú stopy, ktoré sú viditeľné po spracovaní. Tieto lepty poskytujú vodítka o energii častíc, ich chuti – tau, mión alebo elektrón – a či ide o neutrína alebo antineutrína.

Podľa Fanga emulzia funguje podobným spôsobom ako fotografia v ére pred digitálnymi fotoaparátmi. Keď je 35-milimetrový film vystavený svetlu, fotóny zanechávajú stopy, ktoré sa počas vývoja filmu javia ako vzory. Výskumníci FASER boli podobne schopní pozorovať interakcie neutrín po odstránení a vyvolaní emulzných vrstiev detektora.

„Po overení účinnosti prístupu emulzného detektora na pozorovanie interakcií neutrín produkovaných na A“ zrážač častícTím FASER teraz buduje novú sériu experimentov s kompletným prístrojom, ktorý je oveľa väčší a výrazne citlivejší,“ povedal Feng.

Od roku 2019 sa on a jeho kolegovia pripravujú na uskutočnenie experimentu s prístrojmi FASER na sondovanie temnej hmoty na LHC. Dúfajú, že sa im podarí odhaliť tmavé fotóny, čo výskumníkom poskytne prvý pohľad na to temná hmota Interaguje s normálnymi atómami a inou hmotou vo vesmíre prostredníctvom negravitačných síl.

S úspechom ich práce s neutrínami v priebehu rokov tím FASER – pozostávajúci zo 76 fyzikov z 21 inštitúcií v deviatich krajinách – kombinuje nový emulzia Detektor s prístrojom FASER. Zatiaľ čo pilotný detektor vážil asi 64 libier, prístroj FASERnu by vážil viac ako 2 400 libier a bol by oveľa citlivejší a schopný rozlišovať medzi odrodami neutrín.

„Vzhľadom na výkon nášho nového detektora a jeho hlavné umiestnenie v CERN-e očakávame, že budeme môcť zaznamenať viac ako 10 000 neutrínových interakcií v ďalšej časti LHC od roku 2022,“ povedal spoluautor David Kasper, spoluautor projektu FASER. vedúci a docent fyziky a astronómie na UCI. „Zistíme neutrína s najvyššou energiou, aké kedy vznikli z umelého zdroja.“

Čo robí FASERnu jedinečným, povedal, je to, že zatiaľ čo iné experimenty dokázali rozlíšiť medzi jedným alebo dvoma typmi neutrín, bude schopný pozorovať všetky tri príchute, ako aj ich antineutrínové náprotivky. Casper povedal, že počas ľudskej histórie bolo pozorovaných len 10 neutrín tau, ale očakáva, že jeho tím bude schopný toto číslo v priebehu nasledujúcich troch rokov zdvojnásobiť alebo strojnásobiť.

„Je to neuveriteľne pekné spojenie s tradíciou na katedre fyziky na UCI,“ povedal Fang, „pretože pokračuje v odkaze zakladajúceho člena fakulty UCI Friedricha Reinsa, ktorý získal Nobelovu cenu za fyziku.“ neutrína,

„Uskutočnili sme experiment svetovej úrovne v poprednom svetovom laboratóriu časticovej fyziky v rekordnom čase a s veľmi nekonvenčnými zdrojmi,“ povedal Kasper. „Sme veľmi vďační Heising-Simmons Foundation a Simmons Foundation, ako aj Japonskej spoločnosti na podporu vedy a CERNu, ktoré nás štedro podporili.“

Savannah Shivali a Jason Arakawa, UCI Ph.D. Do príspevku prispeli aj študenti fyziky a astronómie.