Scientific First v CERN-u predstavlja predogled prihajajoče 3-letne raziskovalne kampanje.

Ekipa International Forward Search Experiment, ki jo vodijo fiziki na kalifornijski univerzi Irvine, je prvič odkrila nevtrinske kandidate, ki jih proizvaja Veliki hadronski trkalnik. CERN Objekt blizu Ženeve, Švica.

V prispevku, objavljenem 24. novembra 2021 v reviji fizični pregled dV tem raziskovalci opisujejo, kako so opazili šest nevtrinskih interakcij med pilotnim zagonom kompaktnega detektorja emulzije, nameščenega na LHC leta 2018.

“Pred tem projektom v trkalniku delcev še niso opazili nobenih znakov nevtrinov,” je povedal soavtor Jonathan Fang, ugledni profesor fizike in astronomije UCI ter sovodja sodelovanja FASER. “Ta pomemben preboj je korak k razvoju globljega razumevanja teh izmuzljivih delcev in njihove vloge v vesolju.”

Povedal je, da je njegova ekipa iz iskanja, opravljenega med pilotom, dobila dve pomembni informaciji.

Detektor delcev FASER, ki je prejel odobritev CERN-a za namestitev na velikem hadronskem trkalniku leta 2019, je bil pred kratkim dopolnjen z instrumentom za odkrivanje nevtrinov. Ekipa FASER, ki jo vodi UCI, je leta 2018 uporabila manjši detektor iste vrste za prva opazovanja izmuzljivih delcev, ki nastanejo v trkalniku. Raziskovalci pravijo, da bo novi instrument lahko zaznal na tisoče interakcij nevtrinov v naslednjih treh letih. kredit: fotografija z dovoljenjem CERN-a

“Najprej je preveril, da je položaj poleg točke interakcije ATLAS na LHC pravilna lokacija za odkrivanje trkalnikov nevtrinov,” je dejal Fang. “Drugič, naša prizadevanja so pokazala učinkovitost uporabe detektorja emulzije za opazovanje teh vrst interakcij nevtrinov.”

Pilotni instrument je sestavljen iz svinčenih in volframovih plošč, ki se izmenjujejo s plastmi emulzije. Med trki delcev na LHC se je nekaj nevtrinov razbilo v jedra v gostih kovinah in ustvarilo delce, ki potujejo skozi emulzijske plasti in ustvarijo sledi, ki so vidne po obdelavi. Te jedkanice zagotavljajo namige o energiji delcev, njihovem okusu – tau, mionu ali elektronu – in ali so nevtrini ali antinevtrini.

Po Fangovem mnenju emulzija deluje na podoben način kot fotografija v dobi pred digitalnim fotoaparatom. Ko je 35-milimetrski film izpostavljen svetlobi, fotoni pustijo sledi, ki se pojavljajo kot vzorci, ko se film razvija. Raziskovalci FASER so podobno lahko opazovali nevtrinske interakcije po odstranitvi in ​​razvoju emulzijskih plasti detektorja.

Fang je dejal: “Ko je preveril učinkovitost pristopa detektorja emulzije za opazovanje interakcij nevtrinov, proizvedenih v trkalnikih delcev, ekipa FASER zdaj oblikuje novo serijo eksperimentov s popolnim instrumentom, ki je veliko večji in bistveno učinkovitejši.” občutljiv .”

Eksperiment FASER se nahaja 480 metrov od interakcijske točke ATLAS na Velikem hadronskem trkalniku. Po besedah ​​Jonathana Fanga, uglednega profesorja fizike in astronomije UCI ter sovodje sodelovanja FASER, je to dobra lokacija za odkrivanje nevtrinov, ki so posledica trkov delcev v objektu. kredit: fotografija z dovoljenjem CERN-a

Od leta 2019 se s sodelavci pripravlja na izvedbo eksperimenta z instrumenti FASER za sondiranje temne snovi na LHC. Upajo, da bodo odkrili temne fotone, kar bo raziskovalcem omogočilo prvi vpogled v interakcijo temne snovi z normalnimi atomi in drugo snovjo v vesolju prek negravitacijskih sil.

Z uspehom njihovega nevtrinskega dela v zadnjih nekaj letih ekipa FASER – sestavljena iz 76 fizikov iz 21 institucij v devetih državah – sestavlja nov detektor emulzije z aparatom FASER. Medtem ko je pilotni detektor tehtal približno 64 funtov, bi instrument FASERnu tehtal več kot 2400 funtov in bi bil veliko bolj odziven in sposoben razlikovati med nevtrinskimi sortami.

“Glede na moč našega novega detektorja in njegovo glavno lokacijo v CERN-u pričakujemo, da bomo lahko zabeležili več kot 10.000 nevtrinskih interakcij v naslednjem delu LHC, ki se začne leta 2022,” je povedal soavtor David Kasper, soavtor projekta FASER. vodja in izredni profesor fizike in astronomije na UCI. “Odkrili bomo nevtrine z najvišjo energijo, ki so kdaj izvirali iz vira, ki ga je ustvaril človek.”

Kar je FASERnu edinstven, je dejal, da medtem ko so drugi poskusi lahko razlikovali med eno ali dvema vrstama nevtrinov, bo lahko opazoval vse tri okuse kot tudi njihove antinevtrinske analoge. Casper je dejal, da je bilo v človeški zgodovini samo 10 opazovanj tau nevtrinov, vendar pričakuje, da bo njegova ekipa to število v naslednjih treh letih lahko podvojila ali potrojila.

“To je neverjetno lepa povezava s tradicijo na Oddelku za fiziko na UCI,” je dejal Fang, “ker se nadaljuje z zapuščino ustanovnega člana fakultete UCI Friedricha Reinsa, ki je prejel Nobelovo nagrado za fiziko.” Prvi je odkril nevtrino .”

“V vodilnem svetovnem laboratoriju za fiziko delcev smo izvedli eksperiment svetovnega razreda v rekordnem času in z zelo nekonvencionalnimi viri,” je dejal Kasper. “Hvaležni smo fundaciji Heising-Simmons in fundaciji Simmons, pa tudi Japonskemu društvu za promocijo znanosti in CERN-u, ki sta nas velikodušno podprla.”

Referenca: “Prvi kandidat za interakcijo z nevtrinom na LHC” Hanso Abreu et al. (FASER Collaboration), 24. november 2021, fizični pregled d,
DOI: 10.1103/PhysRevD.104.L091101

Savannah Shivali in Jason Arakawa, UCI dr. Pri prispevku so sodelovali tudi študenti fizike in astronomije.