Вперше виявлено нейтрино в ході експерименту на колайдері

Привид, нарешті, насправді знаходиться в машині. На початку цього року вчені вперше виявили нейтрино, створене в колайдері елементарних частинок.

Ці численні, але загадкові субатомні частинки настільки віддалені від решти матерії, що прослизають крізь неї, як примари, за що отримали прізвисько “частинки-привиди”.

За словами дослідників, ця робота є першим прямим спостереженням нейтрино колайдера і допоможе нам зрозуміти, як утворюються ці частинки, які їхні властивості та роль в еволюції Всесвіту.

Результати, отримані за допомогою детектора FASERnu на Великому адронному колайдері, були представлені на 57-й конференції Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories в Італії ще в березні 2023 року.

“Ми відкрили нейтрино з абсолютно нового джерела – колайдера частинок, де два пучки частинок зіштовхуються при надзвичайно високій енергії”, – сказав тоді фізик елементарних частинок Джонатан Фенг з Каліфорнійського університету в Ірвіні.

Тепер дві рецензовані статті (тут і тут) нарешті опублікували інформацію про це відкриття, що робить все це набагато більш офіційним і захоплюючим.

Нейтрино є одними з найпоширеніших субатомних частинок у Всесвіті, поступаючись лише фотонам. Але вони не мають електричного заряду, їхня маса майже дорівнює нулю, і вони майже не взаємодіють з іншими частинками, з якими зустрічаються. Сотні мільярдів нейтрино проходять через ваше тіло прямо зараз.

Треки частинок, що утворюються під час події-кандидата, узгоджуються з утворенням електронного нейтрино. (Петерсон та ін.)

Нейтрино утворюються в енергійних обставинах, таких як ядерний синтез, що відбувається всередині зірок, або вибухи наднових зірок. І хоча ми можемо не помічати їх у повсякденному житті, фізики вважають, що їхня маса – хоч і незначна – ймовірно, впливає на гравітацію Всесвіту (хоча нейтрино практично виключили як темну матерію).

Хоча їхня взаємодія з матерією незначна, її не можна назвати повністю відсутньою; час від часу космічні нейтрино зіштовхуються з іншою частинкою, спричиняючи дуже слабкий спалах світла.

Підземні детектори, ізольовані від інших джерел випромінювання, можуть виявити ці сплески. IceCube в Антарктиді, Super-Kamiokande в Японії та MiniBooNE у Фермілабі в Іллінойсі – три такі детектори.

Нейтрино, що утворюються в колайдерах частинок, фізики вже давно шукають, оскільки нейтрино високих енергій не так добре вивчені, як нейтрино низьких енергій.

“Вони можуть розповісти нам про глибокий космос так, як ми не можемо дізнатися в інший спосіб, – каже фізик елементарних частинок Джеймі Бойд з ЦЕРН. “Ці нейтрино дуже високих енергій у ВАК важливі для розуміння справді захопливих спостережень в астрофізиці елементарних частинок”.

FASERnu – це емульсійний детектор, що складається з вольфрамових пластин міліметрової товщини, які чергуються з шарами емульсійної плівки. Вольфрам був обраний через його високу щільність, яка збільшує ймовірність взаємодії нейтрино; детектор складається з 730 емульсійних плівок і загальної маси вольфраму близько 1 тонни.

Схема з деталями колайдера та детектора FASERnu. (Петерсон та ін.)

Під час експериментів з елементарними частинками на ВАК нейтрино можуть зіштовхуватися з ядрами в вольфрамових пластинах, утворюючи частинки, які залишають сліди в емульсійних шарах, подібно до того, як іонізуюче випромінювання залишає сліди в хмарній камері.

Ці пластини потрібно проявити, як фотоплівку, перш ніж фізики зможуть проаналізувати сліди частинок, щоб з’ясувати, що їх спричинило.

Шість кандидатів у нейтрино були ідентифіковані та опубліковані ще у 2021 році. Тепер дослідники підтвердили своє відкриття, використовуючи дані третього запуску модернізованого ВАК, який розпочався минулого року, з рівнем значущості 16 сигма.

Це означає, що ймовірність того, що сигнали були отримані випадково, настільки низька, що майже дорівнює нулю; рівень значущості 5 сигма є достатнім для того, щоб вважати це відкриттям у фізиці елементарних частинок.

Команда FASER все ще наполегливо працює над аналізом даних, зібраних детектором, і цілком ймовірно, що буде виявлено ще багато нейтрино. Очікується, що 3-й запуск ВАК триватиме до 2026 року, а збір і аналіз даних тривають.

Ще у 2021 році фізик Девід Каспер з Каліфорнійського університету в Ірвіні прогнозував, що під час цього запуску буде зареєстровано близько 10 000 нейтринних взаємодій, а це означає, що ми ледве подряпали поверхню того, що може запропонувати FASERnu.

“Нейтрино – це єдині відомі частинки, які набагато масштабніші експерименти на Великому адронному колайдері не можуть безпосередньо виявити, – каже він, – тому успішне спостереження FASER означає, що весь фізичний потенціал колайдера нарешті використовується”.