Οι φυσικοί ανιχνεύουν σημάδια νετρίνων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων

Η διεθνής ομάδα Forward Search Experiment, με επικεφαλής φυσικούς στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, ανίχνευσε για πρώτη φορά ένα υποψήφιο νετρίνο που παρήχθη από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στις εγκαταστάσεις του CERN κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας.

Σε άρθρο που δημοσιεύτηκε σήμερα στο περιοδικό φυσική αναθεώρηση δΤο 2018, οι ερευνητές περιγράφουν πώς παρατήρησαν έξι αλληλεπιδράσεις νετρίνων κατά τη διάρκεια μιας πειραματικής λειτουργίας ενός ανιχνευτή γαλακτώματος υπό πίεση που εγκαταστάθηκε στο LHC το 2018.

«Πριν από αυτό το έργο, δεν υπήρχε κανένα σημάδι νετρίνων στον επιταχυντή σωματιδίων», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Jonathan Feng, διακεκριμένος καθηγητής Φυσικής και Αστρονομίας στο UCI και συν-αρχηγός της Συνεργασίας FASER. «Αυτή η σημαντική ανακάλυψη είναι ένα βήμα προς την ανάπτυξη μιας βαθύτερης κατανόησης αυτών των άπιαστων σωματιδίων και του ρόλου που παίζουν στο σύμπαν».

Είπε ότι η ανακάλυψη που έγινε κατά τη διάρκεια του πιλότου έδωσε στην ομάδα του δύο σημαντικές πληροφορίες.

“Πρώτον, επαληθεύστε ότι η μπροστινή θέση του σημείου αλληλεπίδρασης ATLAS στον LHC είναι η σωστή θέση για την ανίχνευση νετρίνων επιταχυντών”, είπε ο Φενγκ. «Δεύτερον, οι προσπάθειές μας απέδειξαν την αποτελεσματικότητα της χρήσης ενός ανιχνευτή γαλακτώματος για την παρακολούθηση αυτών των τύπων αλληλεπιδράσεων νετρίνων».

Το πειραματικό όργανο αποτελούνταν από πλάκες μολύβδου και βολφραμίου που εναλλάσσονταν με στρώματα γαλακτώματος. Κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων σωματιδίων στον LHC, ορισμένα νετρίνα προκάλεσαν τη διάσπαση των πυκνών μεταλλικών πυρήνων, δημιουργώντας σωματίδια που ταξιδεύουν μέσα από τα στρώματα του γαλακτώματος και δημιουργούν ορατά σημάδια μετά την επεξεργασία. Αυτές οι επιγραφές παρέχουν ενδείξεις για τις ενέργειες και τις γεύσεις των σωματιδίων -ταυ, μιόνιο ή ηλεκτρόνιο- και αν είναι νετρίνα ή αντινετρίνα.

Σύμφωνα με τον Feng, το γαλάκτωμα λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο με τη φωτογραφία στην εποχή της προ-ψηφιακής κάμερας. Όταν το φιλμ 35 mm εκτίθεται στο φως, τα φωτόνια αφήνουν ίχνη που εμφανίζονται ως μοτίβα καθώς αναπτύσσεται το φιλμ. Οι ερευνητές του FASER μπόρεσαν επίσης να δουν αλληλεπιδράσεις νετρίνων αφού αφαιρέθηκαν και αναπτύχθηκαν τα στρώματα γαλακτώματος στον ανιχνευτή.

Μετά την επαλήθευση της αποτελεσματικότητας της προσέγγισης του ανιχνευτή γαλακτώματος στην παρατήρηση των αλληλεπιδράσεων των νετρίνων που παράγονται σε επιταχυντής σωματιδίωνΗ ομάδα FASER στήνει τώρα μια νέα σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας ένα πολύ μεγαλύτερο και σημαντικά πιο ευαίσθητο πλήρες όργανο», είπε ο Feng.

Από το 2019, αυτός και οι συνάδελφοί του ετοιμάζονται να πραγματοποιήσουν ένα πείραμα χρησιμοποιώντας τα όργανα FASER για να εξετάσουν τη σκοτεινή ύλη του LHC. Ελπίζουν να ανιχνεύσουν σκοτεινά φωτόνια, τα οποία θα δώσουν στους ερευνητές μια πρώτη ματιά στο πώς μπορεί να συμβεί αυτό. σκοτεινή ύλη Αλληλεπιδρά με συνηθισμένα άτομα και άλλη ύλη στο σύμπαν μέσω δυνάμεων διαφορετικές από τη βαρύτητα.

Με την επιτυχία της δουλειάς τους για τα νετρίνα τα τελευταία χρόνια, η ομάδα FASER – που αποτελείται από 76 φυσικούς από 21 ιδρύματα σε εννέα χώρες – συγκεντρώνει γαλάκτωμα Ανιχνευτής με συσκευή FASER. Ενώ ο πειραματικός ανιχνευτής ζυγίζει περίπου 64 κιλά, το όργανο FASERnu θα είναι πάνω από 2.400 λίβρες και θα είναι πιο αντιδραστικό και θα μπορεί να διακρίνει τους τύπους νετρίνων.

είπε ο συν-συγγραφέας David Kasper, επικεφαλής του προγράμματος FASER και αναπληρωτής καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο UCI. «Θα ανακαλύψουμε τα νετρίνα υψηλότερης ενέργειας που έχουν παραχθεί από μια ανθρωπογενή πηγή».

Αυτό που κάνει το FASERnu μοναδικό, είπε, είναι ότι ενώ άλλα πειράματα μπόρεσαν να διακρίνουν μεταξύ ενός ή δύο τύπων νετρίνων, θα μπορούν να παρατηρήσουν και τις τρεις γεύσεις καθώς και τις αντίστοιχες αντινετρίνες τους. Ο Κάσπερ είπε ότι έχουν γίνει μόνο περίπου 10 παρατηρήσεις ταυ νετρίνων σε όλη την ανθρώπινη ιστορία, αλλά αναμένει ότι η ομάδα του θα είναι σε θέση να διπλασιάσει ή να τριπλασιάσει αυτόν τον αριθμό μέσα στα επόμενα τρία χρόνια.

«Αυτή είναι μια απίστευτα συναρπαστική σύνδεση με την παράδοση στο τμήμα φυσικής εδώ στο UCI», είπε ο Feng, «επειδή συνεχίζει την κληρονομιά του Frederic Reines, ενός ιδρυτικού μέλους ΔΕΠ στο UCI που κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής ως ο πρώτος που ανακαλύπτω νετρίνα. “

«Έχουμε δημιουργήσει ένα πείραμα παγκόσμιας κλάσης στο κορυφαίο εργαστήριο φυσικής σωματιδίων στον κόσμο σε χρόνο ρεκόρ και με πολύ ασυνήθιστους πόρους», είπε ο Κάσπερ. «Οφείλουμε ένα τεράστιο χρέος ευγνωμοσύνης στο Ίδρυμα Heising-Simons και στο Ίδρυμα Simons, καθώς και στην Ιαπωνική Εταιρεία για την Προώθηση της Επιστήμης και στο CERN, που μας στήριξαν γενναιόδωρα».

Savannah Shivley και Jason Arakawa, Ph.D. από το UCLA. Στην έρευνα συνέβαλαν και φοιτητές Φυσικής και Αστρονομίας.