Физики впервые обнаружили «призрачные частицы» на Большом адронном коллайдере (LHC). В эксперименте под названием FASER пойманы явные сигналы нейтрино, образующихся при столкновении частиц, что может помочь ученым лучше понять основы физики.
Нейтрино - это элементарные частицы, которые электрически нейтральны, чрезвычайно легкие и редко взаимодействуют с частицами материи. Из-за этого их сложно обнаружить, хотя они очень распространены - на самом деле, прямо сейчас через ваше тело проходят миллиарды нейтрино. Из-за этого их часто называют частицами-призраками.
Нейтрино образуются в звездах, сверхновых, квазарах, при радиоактивном распаде. Долгое время считалось, что ускорители элементарных частиц, такие как LHC, тоже должны создавать их, но без правильных инструментов они просто улетят и ускользнут незамеченными.
И вот теперь этот «правильный инструмент» установлен и протестирован. Во время пилотного запуска эксперимента под названием FASER (ForwArd Search ExpeRiment: Search for long lived particles and neutrinos at the LHC), установленного в 2018 году, ученые обнаружили шесть взаимодействий нейтрино.
«До этого проекта на коллайдере никогда не наблюдалось никаких признаков нейтрино», - говорит Джонатан Фенг, соавтор исследования, описывающего результаты. «Этот значительный прорыв - шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной».
По словам исследователей, инструмент FASER, расположенный на 480 м ниже линии столкновения частиц, во многом похож на пленочную фотографию. Детектор состоит из пластин из свинца и вольфрама, разделенных слоями эмульсии. Некоторые из нейтрино ударяются о ядра атомов в плотных металлах, что создает другие частицы, которые проходят через эмульсию. Следы, которые они оставляют, можно увидеть, когда слои эмульсии «проявятся», как пленка. И действительно, в данных было замечено шесть таких отметок.
«Проверив эффективность метода эмульсионного детектора для наблюдения взаимодействий нейтрино, производимых на коллайдере, команда FASER теперь готовит новую серию экспериментов с полноценным инструментом, который намного больше и значительно более чувствителен», - говорит Фенг.
Полная версия, названная FASERnu, будет весить более 1090 кг по сравнению с 29 кг пилотной. Его повышенная чувствительность позволит ему не только чаще обнаруживать нейтрино, но и различать три разных «разновидности», в которых они бывают (электронные, мюонные и тау-нейтрино), а также антинейтрино.
«Учитывая мощность нашего нового детектора и его удобное расположение в ЦЕРНе, мы ожидаем, что сможем зарегистрировать более 10 000 нейтринных взаимодействий в следующем запуске LHC, начиная с 2022 года», - говорит Дэвид Каспер, соавтор исследования. «Мы обнаружим нейтрино с самой высокой энергией, которые когда-либо производились из искусственного источника».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review D.
Источник: University of California, Irvine.
