Der bahnbrechende Detektor des CERN erfasst erstmals hochenergetische Neutrinos

Forscher konnten erstmals die Wechselwirkungen hochenergetischer Elektronen mit Myon-Neutrinos im Energiebereich von Teraelektronenvolt (TeV) direkt beobachten.

Dieser historische Moment wurde am Large Hadron Collider (LHC) des CERN mithilfe des Forward Searching (FASER)-Experiments erreicht.

Neutrinos sind Elementarteilchen mit sehr kleinen Massen und schwachen Wechselwirkungen mit Materie. Diese „Geisterteilchen“ faszinieren Physiker schon seit langem. Trotz ihrer Häufigkeit – unzählige Neutrinos durchqueren jede Sekunde die Erde und unseren Körper – hat es sich als schwierig erwiesen, sie zu entdecken.

„Dieses Ergebnis stellt das erste physikalische Ergebnis überhaupt zu Neutrinos aus Teilchenkollisionen dar“, sagte Akitaka Ariga, außerordentlicher Professor an der Chiba-Universität und einer der leitenden Forscher, und beschrieb die Bemühungen des Teams als „Durchbruch in der Teilchenphysik, der die Strategie von revolutionieren wird.“ groß angelegte experimentelle Forschung auf diesem Gebiet.

Ein neuer Blick auf das Unsichtbare

Es gibt drei „Geschmacksrichtungen“ von Neutrinos: Elektron-Neutrinos (ve), Myon-Neutrinos (νμ) und Tau-Neutrinos (ντ). Bisher wurden Neutrino-Wechselwirkungsquerschnitte bei Energien über 300 GeV (GeV) für Elektron-Neutrinos und zwischen 400 GeV und sechs TeV (6000 GeV) für Myon-Neutrinos nicht gemessen.

Das Schlüsselelement der neuen Entdeckung ist der FASERν-Detektor, eine spezielle Komponente des FASER-Experiments am CERN. Dieser Detektor besteht aus 730 Schichten Wolframblechen und Emulsionsfilmen und die Gesamtzielmasse erreicht 1,1 Tonnen. Darüber hinaus verfügt FASERν über ein Design, das die Rekonstruktion der Flugbahnen geladener Teilchen, die aus Neutrino-Wechselwirkungen resultieren, mit einer Auflösung im Submikrometerbereich ermöglicht.

Das Team analysierte einen Teil des freigelegten Detektorvolumens, der 128,6 kg entspricht, und konzentrierte sich dabei auf hochenergetische Neutrinos, die durch Proton-Proton-Kollisionen am LHC erzeugt wurden.

Durch eine strenge Auswahl konnten die Forscher vier Kandidaten für die Elektron-Neutrino-Wechselwirkung und acht Kandidaten für die Myon-Neutrino-Wechselwirkung identifizieren, die alle Energien über 200 GeV haben.

In StellungnahmeDas Team betonte die hohe statistische Signifikanz dieser Beobachtungen – 5,2σ für Elektron-Neutrinos und 5,7σ für Myon-Neutrinos. Dies weist darauf hin, dass es sich wahrscheinlich nicht um Hintergrundschwankungen handelt und es sich daher um tatsächliche Neutrinos handelt.

Dr. Arega betonte: „Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, Neutrino-Wechselwirkungen mit einem charakteristischen Geschmack bei TeV-Energien mithilfe des FASERν-Emulsionsdetektors am LHC zu untersuchen.“

Steigerung des Energieniveaus

Bei den entdeckten Neutrinos handelt es sich um Neutrinos mit der höchsten Energie, die jemals aus einer künstlichen Quelle beobachtet wurden, mit Energien im TeV-Bereich.

Konkret liefert die Studie die ersten Messungen von Neutrino-Wechselwirkungsquerschnitten – der Wahrscheinlichkeit, dass Neutrinos mit Zielteilchen interagieren – in den Energiebereichen 560–1740 GeV für Elektron-Neutrinos und 520–1760 GeV für Myon-Neutrinos.

Diese Messungen schließen eine kritische Lücke, da frühere Studien nur 300 GeV für Elektron-Neutrinos und zwischen 400 GeV und 6 TeV für Myon-Neutrinos überschritten haben. Darüber hinaus stimmten diese Messungen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein.

Die Möglichkeit, Neutrinos bei diesen extremen Energien zu untersuchen, könnte Aufschluss über grundlegende Fragen der Physik geben, etwa darüber, warum Teilchen Masse haben und warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

Einzelheiten zur Forschung des Teams wurden in veröffentlicht Materialbewertungsschreiben Am 11. Juli 2024.