Wissenschaftliche Premiere an der CERN-Einrichtung eine Vorschau auf die bevorstehende 3-Jahres-Forschungskampagne.
Dem internationalen Team des Forward Search Experiments unter der Leitung von Physikern der University of California, Irvine, ist der erstmalige Nachweis von Neutrino-Kandidaten des Large Hadron Collider am CERN in der Nähe von Genf, Schweiz.
In einem am 24. November 2021 in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Physische Überprüfung D, beschreiben die Forscher, wie sie während eines Pilotlaufs eines kompakten Emulsionsdetektors, der 2018 am LHC installiert wurde, 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.
Der Teilchendetektor FASER, der 2019 die CERN-Zulassung erhalten hat, um am Large Hadron Collider installiert zu werden, wurde kürzlich um ein Instrument zum Nachweis von Neutrinos erweitert. Das UCI-geführte FASER-Team verwendete 2018 einen kleineren Detektor des gleichen Typs, um die ersten Beobachtungen der schwer fassbaren Teilchen zu machen, die an einem Collider erzeugt wurden. Das neue Instrument wird in den nächsten drei Jahren Tausende von Neutrino-Wechselwirkungen nachweisen können, sagen die Forscher. Bildnachweis: Foto mit freundlicher Genehmigung von CERN
„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 gezeigt, wie effektiv die Verwendung eines Emulsionsdetektors ist, um diese Art von Neutrino-Wechselwirkungen zu beobachten.“
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 Radierungen geben Hinweise auf die Energien der Teilchen, 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 viel größeren und deutlich empfindlicheren Vollinstrument vor“, sagte Feng.
Das FASER-Experiment befindet sich 480 Meter vom ATLAS-Interaktionspunkt am Large Hadron Collider entfernt. Laut Jonathan Feng, UCI Distinguished Professor of Physics & Astronomy und Co-Leiter der FASER Collaboration, ist dies ein guter Ort zum Nachweis von Neutrinos, die aus Teilchenkollisionen in der Anlage resultieren. Bildnachweis: Foto mit freundlicher Genehmigung von CERN
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 der letzten Jahre 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 nachweisen, die jemals aus einer von Menschen gemachten Quelle produziert wurden.“
Was FASERnu einzigartig macht, ist, dass, während andere Experimente in der Lage waren, zwischen einer oder zwei Arten von Neutrinos zu unterscheiden, alle drei Geschmacksrichtungen plus ihre Antineutrino-Gegenstücke beobachtet werden können. 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 Erbe 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.“
Literaturhinweis: „Erste Neutrino-Interaktionskandidaten am LHC“ von Henso Abreu et al. (FASER-Kollaboration), 24. November 2021, Physische Überprüfung D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.104.L091101
Savannah Shively und Jason Arakawa, UCI Ph.D. Studenten der Physik und Astronomie, trugen ebenfalls zur Arbeit bei.