Natuurkundigen detecteren tekenen van neutrino’s bij de Large Hadron Collider

Het internationale Forward Search Experiment-team, geleid door natuurkundigen van de Universiteit van Californië, Irvine, heeft de allereerste detectie gedaan van een kandidaat-neutrino geproduceerd door de Large Hadron Collider in de CERN-faciliteit in de buurt van Genève, Zwitserland.

In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd fysieke beoordeling dIn 2018 beschrijven de onderzoekers hoe ze zes neutrino-interacties observeerden tijdens een experimentele run van een emulsiedetector onder druk die in 2018 bij de LHC was geïnstalleerd.

“Voorafgaand aan dit project waren er geen tekenen van neutrino’s in de deeltjesversneller”, zegt co-auteur Jonathan Feng, UCI Distinguished Professor of Physics and Astronomy en co-leider van de FASER Collaboration. “Deze belangrijke doorbraak is een stap in de richting van het ontwikkelen van een dieper begrip van deze ongrijpbare deeltjes en de rol die ze spelen in het universum.”

Hij zei dat de ontdekking die tijdens de pilot werd gedaan zijn team twee belangrijke informatie gaf.

“Controleer eerst of de voorste positie van het ATLAS-interactiepunt in de LHC de juiste locatie is voor het detecteren van collider-neutrino’s,” zei Feng. “Ten tweede hebben onze inspanningen de effectiviteit aangetoond van het gebruik van een emulsiedetector om dit soort neutrino-interacties te volgen.”

Het experimentele instrument was samengesteld uit lood- en wolfraamplaten, afgewisseld met lagen emulsie. Tijdens deeltjesbotsingen in de LHC produceerden sommige neutrino’s botsend in de dichte metalen kernen, waardoor deeltjes ontstonden die door de lagen van de emulsie reizen en zichtbare sporen na verwerking creëren. Deze inscripties geven aanwijzingen over de energieën en smaken van het deeltje – tau, muon of elektron – en of het neutrino’s of antineutrino’s zijn.

Volgens Feng werkt de emulsie op een vergelijkbare manier als fotografie in het pre-digitale cameratijdperk. Wanneer 35 mm-film wordt blootgesteld aan licht, laten de fotonen sporen achter die als patronen verschijnen terwijl de film wordt ontwikkeld. De FASER-onderzoekers konden ook neutrino-interacties zien nadat de emulsielagen in de detector waren verwijderd en ontwikkeld.

Na het verifiëren van de effectiviteit van de emulsiedetectorbenadering bij het observeren van de interacties van neutrino’s geproduceerd bij a deeltjesversnellerHet FASER-team zet nu een nieuwe reeks experimenten op met een veel groter en aanzienlijk gevoeliger compleet instrument, “zei Feng.

Sinds 2019 bereiden hij en zijn collega’s zich voor om een ​​experiment uit te voeren met de FASER-instrumenten om de donkere materie van de LHC te onderzoeken. Ze hopen donkere fotonen te detecteren, waardoor onderzoekers een eerste glimp kunnen opvangen van hoe dit zou kunnen gebeuren. donkere materie Het interageert met gewone atomen en andere materie in het universum door andere krachten dan de zwaartekracht.

Met het succes van hun werk aan neutrino’s in de afgelopen jaren, brengt het FASER-team – bestaande uit 76 natuurkundigen van 21 instellingen in negen landen – samen emulsie Detector met FASER-apparaat. Terwijl de experimentele detector ongeveer 64 pond weegt, zal het FASERnu-instrument meer dan 2400 pond wegen, reactiever zijn en in staat zijn om onderscheid te maken tussen soorten neutrino’s.

zei co-auteur David Kasper, co-project FASER-leider en universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de UCI. “We zullen de neutrino’s met de hoogste energie ontdekken die zijn geproduceerd uit een door de mens gemaakte bron.”

Wat FASERnu uniek maakt, zei hij, is dat terwijl andere experimenten een of twee soorten neutrino’s hebben kunnen onderscheiden, ze alle drie de smaken kunnen waarnemen, evenals hun antineutrino-tegenhangers. Casper zei dat er in de hele menselijke geschiedenis slechts ongeveer 10 waarnemingen van tau-neutrino’s zijn geweest, maar hij verwacht dat zijn team dat aantal binnen de komende drie jaar zal kunnen verdubbelen of verdrievoudigen.

“Dit is een ongelooflijk fascinerende verbinding met de traditie in de natuurkundeafdeling hier bij UCI,” zei Feng, “omdat het de erfenis voortzet van Frederic Reines, een van de oprichters van de faculteit bij UCI die de Nobelprijs voor natuurkunde won omdat hij de eerste was die Ontdek neutrino’s. “

“We hebben in recordtijd en met zeer onconventionele middelen een experiment van wereldklasse geproduceerd in ‘s werelds belangrijkste laboratorium voor deeltjesfysica”, zegt Casper. “We zijn enorm veel dank verschuldigd aan de Heising-Simons Foundation en de Simons Foundation, evenals de Japan Society for the Promotion of Science en CERN, die ons genereus hebben gesteund.”

Savannah Shivley en Jason Arakawa, Ph.D. van de UCLA. Ook studenten natuurkunde en sterrenkunde droegen bij aan het onderzoek.