Физики впервые обнаружили неуловимые "призрачные частицы"

На Большом адронном коллайдере (БАК) только что была достигнута важная веха в физике частиц.

Впервые были обнаружены кандидаты в нейтрино, причем не только на БАК, но и в любом коллайдере частиц.

Шесть нейтринных взаимодействий, обнаруженных с помощью нейтринного субдетектора FASERnu, не только демонстрируют осуществимость технологии, но и открывают новый путь для изучения этих загадочных частиц, особенно при высоких энергиях.

"До этого проекта на коллайдере частиц никогда не наблюдалось никаких признаков нейтрино", — сказал физик Джонатан Фенг из Университета Калифорнии в Ирвайне, соруководитель коллаборации FASER.

"Этот значительный прорыв - шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной".

Нейтрино фактически повсюду. Это одна из самых распространенных субатомных частиц во Вселенной, но они не несут заряда и имеют почти нулевую массу поэтому хотя они проносятся через Вселенную почти со скоростью света, они почти не взаимодействуют с ней. Миллиарды таких частиц проносятся через вас прямо сейчас. Для нейтрино вся остальная Вселенная практически бесплотна, поэтому их еще называют частицами-призраками.

Несмотря на то, что они редко взаимодействуют друг с другом, это не значит, что никогда. Такие детекторы, как IceCube в Антарктиде, Супер-Камиоканде в Японии и MiniBooNE в Фермилабе в Иллинойсе, используют чувствительные фотодетекторы, предназначенные для улавливания световых потоков, возникающих, например, при взаимодействии нейтрино с другими частицами в абсолютно темной среде.

Но уже давно ученые хотят также изучать нейтрино, образующиеся в коллайдерах частиц. Это связано с тем, что коллайдерные нейтрино, возникающие в основном при распаде адронов, производятся при очень высоких энергиях, которые не очень хорошо изучены. Обнаружение коллайдерных нейтрино открывает доступ к нейтринным энергиям и типам, которые редко встречаются в других местах.

FASERnu - это так называемый эмульсионный детектор. Свинцовые и вольфрамовые пластины чередуются со слоями эмульсии: Во время экспериментов с частицами на БАК нейтрино может сталкиваться с ядрами в свинцовой и вольфрамовой пластинах, производя частицы, которые оставляют следы в слоях эмульсии, подобно тому, как ионизирующее излучение оставляет следы в камере Вильсона.

Пластины должны быть проявлены как фотопленка. Затем физики могут проанализировать следы частиц, чтобы выяснить, что их породило; было ли это нейтрино, а затем определить "аромат", или тип, нейтрино. Существует три вида нейтрино - электронное, мюонное и тау, а также их антинейтринные аналоги.

В ходе эксперимента FASERnu, проведенного в 2018 году, в слоях эмульсии было зарегистрировано шесть нейтринных взаимодействий-кандидатов. Это может показаться не так много, учитывая, сколько частиц образуется за время работы на БАК, но это дало коллаборации две жизненно важные части информации.

"Во-первых, это подтвердило, что позиция впереди точки взаимодействия ATLAS на БАК является подходящим местом для обнаружения нейтрино коллайдера", — сказал Фенг. "Во-вторых, наши усилия продемонстрировали эффективность использования эмульсионного детектора для наблюдения подобных нейтринных взаимодействий".

Экспериментальный детектор был относительно небольшим устройством, весом около 29 килограммов. В настоящее время команда работает над созданием полной версии, весом около 1100 килограммов. Этот прибор будет значительно более чувствительным и позволит исследователям различать ароматы нейтрино и их антинейтринных аналогов.

Ожидается, что в ходе третьего запуска Большого адронного коллайдера будет получено 200 миллиардов электронных нейтрино, 6 триллионов мюонных нейтрино, 9 миллиардов тау-нейтрино и их антинейтрино. Поскольку на сегодняшний день мы обнаружили всего около 10 тау-нейтрино, это будет очень большой удачей.

Сотрудничество также стремится к еще более неуловимой цели. Они возлагают надежды на обнаружение темных фотонов, которые в настоящее время являются гипотетическими, но которые могут помочь раскрыть природу темной материи - загадочной, непосредственно не обнаруживаемой массы, составляющей большую часть материи Вселенной.

Однако обнаружение нейтрино само по себе является чрезвычайно интересным шагом вперед для нашего понимания фундаментальных компонентов Вселенной.

"Учитывая мощность нашего нового детектора и его расположение в ЦЕРНе, мы ожидаем, что сможем зарегистрировать более 10 000 нейтринных взаимодействий во время следующего запуска БАК, который начнется в 2022 году", — сказал физик и астроном Дэвид Каспер из Калифорнийского университета в Ирвайне, соруководитель проекта FASER.

"Мы обнаружим самые высокоэнергетичные нейтрино, которые когда-либо были получены из искусственного источника".

Исследование команды было опубликовано в журнале Physical Review D.