Physiker haben zum ersten Mal Anzeichen von Neutrinos am Large Hadron Collider entdeckt

Teach First at CERN Facility Preview für die kommende 3-Jahres-Forschungskampagne.

Das internationale Forward Search Experiment-Team unter der Leitung von Physikern der University of California, Irvine, hat zum ersten Mal einen Neutrino-Kandidaten entdeckt, der vom Large Hadron Collider at . produziert wird CERN Einrichtung in der Nähe von Genf, Schweiz.

In einem Forschungspapier, das am 24. November 2021 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde körperliche ÜberprüfungIm Jahr 2018 beschreiben die Forscher, wie sie während eines Versuchslaufs eines am LHC im Jahr 2018 installierten Druckemulsionsdetektors sechs Neutrino-Wechselwirkungen beobachteten.

„Vor diesem Projekt gab es keine Anzeichen von Neutrinos im Teilchenbeschleuniger“, sagte Co-Autor Jonathan Feng, UCI Distinguished Professor of Physics and Astronomy und Co-Leiter der FASER-Kollaboration. „Dieser wichtige 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 wichtige Informationen gegeben.

Der CERN-zugelassene FASER-Teilchendetektor, der 2019 am Large Hadron Collider installiert werden soll, wurde kürzlich um einen Neutrino-Detektor 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 am Collider erzeugt wurden. Die Forscher sagten, dass das neue Instrument in den nächsten drei Jahren Tausende von Neutrino-Wechselwirkungen nachweisen kann. Bildquelle: CERN

„Überprüfen Sie zunächst, ob die vordere Position des ATLAS-Wechselwirkungspunktes im LHC der richtige Ort für die Erkennung von Collider-Neutrinos ist“, sagte Feng. „Zweitens haben unsere Bemühungen die Wirksamkeit der Verwendung eines Emulsionsdetektors zur Überwachung dieser Arten von Neutrino-Wechselwirkungen gezeigt.“

Das Versuchsinstrument bestand aus Blei- und Wolframplatten im Wechsel mit Emulsionsschichten. Bei Partikelkollisionen im LHC verursachten einige Neutrinos das Aufbrechen der dichten Metallkerne, wodurch Partikel erzeugt wurden, die durch die Schichten der Emulsion wandern und nach der Verarbeitung sichtbare Spuren hinterlassen. Diese Inschriften geben Hinweise auf die Energien und Aromen der Teilchen – Tau, Myon oder Elektron – und ob es sich um Neutrinos oder Antineutrinos handelt.

Laut Feng funktioniert die Emulsion ähnlich wie die Fotografie im vordigitalen Kamerazeitalter. Wenn ein 35-mm-Film belichtet wird, hinterlassen die Photonen Spuren, die während der Entwicklung des Films als Muster erscheinen. Die FASER-Forscher konnten auch Neutrino-Wechselwirkungen sehen, nachdem die Emulsionsschichten im Detektor entfernt und entwickelt wurden.

„Nachdem die Wirksamkeit des Emulsionsdetektor-Ansatzes bei der Beobachtung der Wechselwirkungen von Neutrinos, die vom Teilchenbeschleuniger erzeugt werden, verifiziert wurde, baut das FASER-Team nun eine neue Versuchsreihe mit einem kompletten Instrument auf, das viel größer und deutlich empfindlicher ist“, 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 and Astronomy und Co-Leiter der FASER-Kollaboration, ist dies ein guter Ort, um Neutrinos aus Teilchenkollisionen in der Anlage nachzuweisen. Bildquelle: CERN

Seit 2019 bereiten er und seine Kollegen ein Experiment mit den FASER-Instrumenten vor, um die Dunkle Materie des LHC zu untersuchen. Sie hoffen, dunkle Photonen zu entdecken, die den Forschern einen ersten Einblick geben, wie dunkle Materie mit natürlichen Atomen und anderer Materie im Universum durch andere Kräfte als die Schwerkraft 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 dem FASER-Instrument. Während der experimentelle Detektor etwa 64 Pfund wiegt, wird das FASERnu-Instrument mehr als 2.400 Pfund wiegen und reaktiver sein und zwischen Neutrinostypen unterscheiden können.

sagte Co-Autor David Kasper, Co-Projektleiter von FASER und außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der UCI. „Wir werden die energiereichsten Neutrinos entdecken, die aus einer künstlichen Quelle hergestellt wurden.“

Was FASERnu einzigartig macht, ist, dass andere Experimente zwar zwischen einer oder zwei Arten von Neutrinos unterscheiden konnten, aber alle drei Geschmacksrichtungen sowie ihre Antineutrino-Gegenstücke beobachten können. Casper sagte, dass es in der gesamten Menschheitsgeschichte nur etwa 10 Beobachtungen von Tau-Neutrinos gegeben hat, aber er erwartet, dass sein Team diese Zahl innerhalb der nächsten drei Jahre verdoppeln oder verdreifachen kann.

„Dies ist eine unglaublich faszinierende Verbindung zur Tradition der Physikabteilung hier an der UCI“, sagte Feng, während sie das Erbe von Frederick Raines fortsetzt, einem Gründungsmitglied der UCI, der den Nobelpreis für Physik als erster entdeckte Neutrinos. „

„Wir haben im weltweit führenden Labor für Teilchenphysik in Rekordzeit und mit sehr unkonventionellen Ressourcen 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 zu großem Dank verpflichtet, die uns großzügig unterstützt haben.“

Literaturhinweis: „Die ersten Kandidaten für die Neutrino-Wechselwirkung im LHC“ von Henso Abreu et al. (FASER-Kollaboration), 24. November 2021, hier verfügbar. körperliche Überprüfung.
DOI: 10.1103/ PhysRevD.104.L091101

Savannah Shivley und Jason Arakawa, Ph.D. von der UCLA. Auch Studenten der Physik und Astronomie trugen zur Forschung bei.