Pierwsza taka detekcja - neutrina w Wielkim Zderzaczu Hadronów

Międzynarodowy zespół Forward Search Experiment, kierowany przez fizyków z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, dokonał pierwszej w historii detekcji kandydatów na neutrina powstałych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). W pracy opublikowanej w "Physical Review D.", naukowcy opisali, w jaki sposób zaobserwowali sześć oddziaływań neutrin podczas uruchomienia kompaktowego akceleratora FASER w 2018 r.

- Przed tym projektem nigdy nie zaobserwowano żadnych śladów neutrin w akceleratorze cząstek. Ten znaczący przełom jest krokiem w kierunku rozwoju głębszego zrozumienia tych nieuchwytnych cząstek i roli, jaką odgrywają we Wszechświecie - powiedział prof. Jonathan Feng, współprowadzący FASER Collaboration. 

Eksperyment FASER dostarczył dwóch kluczowych informacji. Po pierwsze, zweryfikował on, że pozycja przed punktem oddziaływania ATLAS w LHC jest właściwym miejscem do wykrywania neutrin zderzeniowych. Po drugie, zebrane dane potwierdziły skuteczność wykorzystania detektora emulsyjnego do obserwacji tego rodzaju oddziaływań neutrin.

Pierwotny instrument FASER składał się z płyt ołowianych i wolframowych, ułożonych naprzemiennie z warstwami emulsji. Podczas zderzeń cząstek w LHC, niektóre z wytworzonych neutrin rozbijają się o jądra w gęstych metalach, tworząc cząstki, które przechodzą przez warstwy emulsji i tworzą ślady widoczne po obróbce. Ślady te dostarczają wskazówek na temat energii cząstek, ich rodzajów - taon, mion lub elektron - oraz tego, czy są to neutrina czy antyneutrina.

Feng uważa, że emulsja działa w sposób podobny do fotografii sprzed ery aparatów cyfrowych. Kiedy 35-milimetrowa klisza jest wystawiona na działanie światła, fotony pozostawiają ślady, które są ujawniane jako wzory podczas wywoływania filmu. Naukowcy z FASER byli w stanie zobaczyć interakcje neutrin po usunięciu i wywołaniu warstw emulsji detektora.

- Po zweryfikowaniu skuteczności podejścia opartego na detektorze emulsyjnym do obserwacji oddziaływań neutrin produkowanych w zderzaczu cząstek, zespół FASER przygotowuje teraz nową serię eksperymentów z pełnym instrumentem, który jest znacznie większy i znacznie bardziej czuły - powiedział Feng.

Od 2019 r. zespół Fenga przygotowuje się do przeprowadzenia eksperymentu z wykorzystaniem instrumentów FASER w celu zbadania ciemnej materii w LHC. Mają nadzieję na wykrycie ciemnych fotonów, co dałoby naukowcom wgląd w to, jak ciemna materia oddziałuje z normalnymi atomami i inną materią we Wszechświecie poprzez siły pozagrawitacyjne.