Physiker entdecken Anzeichen von Neutrinos am Large Hadron Collider

Das internationale Forward Search Experiment-Team unter der Leitung von Physikern der University of California, Irvine, hat den ersten Neutrino-Kandidatennachweis des Large Hadron Collider am CERN in der Nähe von Genf in der Schweiz erreicht.

In einem heute in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Physische Überprüfung Dbeschreiben die Forscher, wie sie während eines Pilotlaufs eines am LHC im Jahr 2018 installierten kompakten Emulsionsdetektors sechs Neutrino-Wechselwirkungen beobachteten.

„Vor diesem Projekt wurden noch nie Anzeichen von Neutrinos an einem Teilchenbeschleuniger gesehen“, sagte Co-Autor Jonathan Feng, UCI Distinguished Professor für Physik und Astronomie und Co-Leiter der FASER-Kollaboration. “Dieser bedeutende Durchbruch ist ein Schritt hin zu einem tieferen Verständnis dieser schwer fassbaren Teilchen und ihrer Rolle im Universum.”

Er sagte, die Entdeckung, die während des Piloten gemacht wurde, habe seinem Team zwei entscheidende Informationen gegeben.

“Erstens hat es bestätigt, dass die Position vor dem ATLAS-Wechselwirkungspunkt am LHC der richtige Ort ist, um Collider-Neutrinos zu entdecken”, sagte Feng. “Zweitens haben unsere Bemühungen die Wirksamkeit der Verwendung eines Emulsionsdetektors zur Beobachtung dieser Art von Neutrino-Wechselwirkungen gezeigt.”

Das Pilotinstrument bestand aus Blei- und Wolframplatten im Wechsel mit Emulsionsschichten. Bei Partikelkollisionen am LHC zerschlagen einige der erzeugten Neutrinos in Kerne in den dichten Metallen, wodurch Partikel entstehen, die durch die Emulsionsschichten wandern und nach der Verarbeitung sichtbare Spuren hinterlassen. Diese Ätzungen geben Hinweise auf die Energien der Partikel, ihre Geschmacksrichtungen – Tau, Myon oder Elektron – und ob es sich um Neutrinos oder Antineutrinos handelt.

Laut Feng funktioniert die Emulsion ähnlich wie die Fotografie in der Ära vor der Digitalkamera. Wenn ein 35-Millimeter-Film belichtet wird, hinterlassen Photonen Spuren, die bei der Entwicklung des Films als Muster sichtbar werden. Auch die FASER-Forscher konnten Neutrino-Wechselwirkungen nach dem Entfernen und Entwickeln der Emulsionsschichten des Detektors erkennen.

“Nachdem die Wirksamkeit des Emulsionsdetektor-Ansatzes zur Beobachtung der Wechselwirkungen von Neutrinos, die an einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden, überprüft hat, bereitet das FASER-Team jetzt eine neue Reihe von Experimenten mit einem vollständigen Instrument vor, das viel größer und deutlich empfindlicher ist”, sagte Feng.

Seit 2019 bereiten er und seine Kollegen ein Experiment mit FASER-Instrumenten zur Untersuchung der Dunklen Materie am LHC vor. Sie hoffen, dunkle Photonen nachweisen zu können, die den Forschern einen ersten Einblick geben würden, wie dunkle Materie mit normalen Atomen und der anderen Materie im Universum durch Nichtgravitationskräfte interagiert.

Mit dem Erfolg ihrer Neutrino-Arbeit in den letzten Jahren kombiniert das FASER-Team – bestehend aus 76 Physikern aus 21 Institutionen in neun Ländern – einen neuen Emulsionsdetektor mit der FASER-Apparatur. Während der Pilotdetektor etwa 64 Pfund wog, wird das FASERnu-Instrument mehr als 2.400 Pfund wiegen, und es wird viel reaktiver sein und in der Lage sein, zwischen Neutrino-Varietäten zu unterscheiden.

„Angesichts der Leistungsfähigkeit unseres neuen Detektors und seines erstklassigen Standorts am CERN erwarten wir, im nächsten Lauf des LHC ab 2022 mehr als 10.000 Neutrino-Wechselwirkungen aufzeichnen zu können“, sagte Co-Autor David Casper, FASER-Projektko -Leiter und außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der UCI. “Wir werden die energiereichsten Neutrinos entdecken, die jemals aus einer von Menschen gemachten Quelle produziert wurden.”

Was FASERnu einzigartig macht, sagte er, ist, dass, während andere Experimente zwischen einer oder zwei Arten von Neutrinos unterscheiden konnten, es in der Lage sein wird, alle drei Geschmacksrichtungen plus ihre Antineutrino-Gegenstücke zu beobachten. Casper sagte, dass es in der gesamten Menschheitsgeschichte nur etwa 10 Beobachtungen von Tau-Neutrinos gegeben habe, aber er gehe davon aus, dass sein Team diese Zahl in den nächsten drei Jahren verdoppeln oder verdreifachen kann.

„Dies ist eine unglaublich schöne Anknüpfung an die Tradition der Physikabteilung hier an der UCI“, sagte Feng, „weil sie das Vermächtnis von Frederick Reines, einem Gründungsmitglied der UCI-Fakultät, das den Nobelpreis für Physik erhielt, weiterführt der erste, der Neutrinos entdeckte.”

“Wir haben im weltweit führenden Labor für Teilchenphysik in Rekordzeit und mit sehr unkonventionellen Quellen ein Experiment von Weltklasse durchgeführt”, sagte Casper. “Wir sind der Heising-Simons-Stiftung und der Simons-Stiftung sowie der Japan Society for the Promotion of Science und dem CERN, die uns großzügig unterstützt haben, zu großem Dank verpflichtet.”

Savannah Shively und Jason Arakawa, UCI Ph.D. Studenten der Physik und Astronomie, trugen ebenfalls zur Arbeit bei.