«Частицы-призраки»: ученые наконец обнаружили нейтрино в коллайдере частиц

Призрак, наконец, на самом деле находится в машине: ученые впервые создали нейтрино в коллайдере частиц.

Эти обильные, но загадочные субатомные частицы настолько удалены от остальной части Дело в том, что они скользят сквозь него, как призраки, за что получили прозвище «частицы-призраки».

Исследователи говорят, что эта работа представляет собой первое прямое наблюдение коллайдерных нейтрино и поможет нам понять, как эти частицы формируются, что их свойства и их роль в эволюции Вселенной.

Результаты, полученные с помощью детектора FASERnu на Большом адронном коллайдере, были представлены на 57-й конференции Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories в Италия.

«Мы обнаружили нейтрино из совершенно нового источника — коллайдеров частиц, — где два пучка частиц сталкиваются друг с другом при чрезвычайно высокой энергии», — говорит физик Джонатан Фенг из Калифорнийского университета. Ирвин.

Нейтрино s являются одними из самых распространенных субатомных частиц во Вселенной, уступая только фотонам. Но у них нет электрического заряда, их масса почти равна нулю, и они практически не взаимодействуют с другими встречающимися на пути частицами. Прямо сейчас через ваше тело проходят сотни миллиардов нейтрино.

Нейтрино образуются в энергетических условиях, таких как ядерный синтез, происходящий внутри звезд, или взрывы сверхновых. И хотя мы можем не замечать их изо дня в день, физики считают, что их масса, какой бы незначительной она ни была, вероятно, влияет на гравитацию Вселенной (хотя нейтрино практически исключены как темная материя).

Хотя их взаимодействие с материей невелико, оно не совсем отсутствует; время от времени космическое нейтрино сталкивается с другой частицей, производя очень слабую вспышку света.

Подземные детекторы, изолированные от других источников излучения, могут обнаружить эти вспышки. IceCube в Антарктиде, Super-Kamiokande в Японии и MiniBooNE в Fermilab в Иллинойсе — вот три таких детектора.

Однако нейтрино, образующиеся в коллайдерах частиц, уже давно ищут физики, потому что задействованные высокие энергии не столь велики. хорошо изучены как низкоэнергетические нейтрино.

«Они могут рассказать нам о глубоком космосе так, как мы не можем узнать иначе», — говорит физик частиц Джейми Бойд из CERN. «Эти нейтрино очень высокой энергии в LHC важны для понимания действительно захватывающих наблюдений в астрофизике элементарных частиц».

FASERnu — это эмульсионный детектор, состоящий из вольфрамовых пластин миллиметровой толщины, чередующихся со слоями эмульсионной пленки. Вольфрам был выбран из-за его высокой плотности, что увеличивает вероятность взаимодействия нейтрино; Детектор состоит из 730 эмульсионных пленок и общей массы вольфрама около 1 тонны.

Во время экспериментов с частицами на БАК нейтрино могут сталкиваться с ядрами в вольфрамовых пластинах, образуя частицы, оставляющие следы в слоях эмульсии, что немного похоже на то, как происходит ионизация. излучение оставляет следы в камере Вильсона.

Эти пластины должны быть проявлены, как фотопленка, прежде чем физики смогут проанализировать следы частиц, чтобы выяснить, что их произвело.

Шесть нейтрино кандидаты были идентифицированы и опубликованы еще в 2021 году. Теперь исследователи подтвердили свое открытие, используя данные третьего запуска обновленного БАК, который начался в прошлом году, с уровнем значимости 16 сигма.

Это означает, что что вероятность того, что сигналы были созданы случайным образом, настолько мала, что почти равна нулю; уровень значимости 5 сигм достаточен, чтобы квалифицироваться как открытие в физике элементарных частиц.

Команда FASER все еще усердно анализирует данные, собранные детектором, и вполне вероятно, что последует еще много обнаружений нейтрино. . Ожидается, что третий запуск БАК продлится до 2026 года, сбор и анализ данных продолжаются.

Еще в 2021 году физик Дэвид Каспер из Калифорнийского университета в Ирвайне прогнозировал, что в ходе запуска произойдет около 10 000 взаимодействий нейтрино, что означает мы едва коснулись того, что может предложить FASERnu.

«Нейтрино — единственные известные частицы, которые не могут быть обнаружены напрямую в гораздо более масштабных экспериментах на Большом адронном коллайдере, — говорит он, — поэтому Успешное наблюдение FASER означает, что весь физический потенциал коллайдера, наконец, используется».

Результаты группы были представлены на 57-й конференции Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories.