Физики обнаружили признаки нейтрино на Большом адронном коллайдере

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

В статье, опубликованной сегодня в журнале 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.

«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 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 детектора эмульсии к наблюдению взаимодействий нейтрино, рожденных на коллайдер частицКоманда FASER сейчас проводит новую серию экспериментов с использованием гораздо более крупного и значительно более чувствительного полного прибора », — сказал Фэн.

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, что даст исследователям первое представление о том, как это могло произойти. темная материя Он взаимодействует с обычными 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 девяти странах, объединяет эмульсия Детектор с устройством 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 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 кафедры физики здесь, в UCI, — сказал Фенг, — потому что она продолжает наследие Фредерика Райнеса, одного из основателей UCI, который получил Нобелевскую премию по физике за то, что был первым, кто обнаружить нейтрино. «

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

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