Физики впервые обнаружили «призрачные частицы»

Ученые, работающие с Большим Адронном Коллайдерот (БАК) только что сделали важнейшее открытие в физике элементарных частиц.

Шесть взаимодействий нейтрино, обнаруженные с помощью субдетектора нейтрино FASERnu, не только демонстрируют осуществимость технологии, но и открывают новые возможности для изучения этих загадочных частиц, особенно при высоких энергиях.

Нейтрино на самом деле везде. Это одни из самых распространенных субатомных частиц во Вселенной; но они не несут заряда и имеют почти нулевую массу, поэтому, хотя они текут через Вселенную почти со скоростью света, они практически не взаимодействуют с ней. Миллиарды частиц проходят сквозь вас прямо сейчас. Для нейтрино остальная Вселенная в основном бестелесна; вот почему они также известны как частицы-призраки.

Хотя они редко взаимодействуют, это не то же самое, что никогда. В таких детекторах, как IceCube в Антарктиде, Super-Kamiokande в Японии и MiniBooNE в Фермилаб в Иллинойсе, используются чувствительные матрицы фотодетекторов, предназначенные для улавливания световых потоков, возникающих, например, при взаимодействии нейтрино с другими частицами в полностью темной среде.

Но в течение долгого времени ученые хотели изучить нейтрино, образующиеся в коллайдерах частиц. Это потому, что нейтрино коллайдера, которые возникают в основном при распаде адронов, возникают при очень высоких энергиях, которые не очень хорошо изучены. Обнаружение нейтрино коллайдера обеспечивает доступ к энергиям и типам нейтрино, которые редко можно увидеть где-либо еще.

FASERnu — это так называемый детектор эмульсии. Свинцовые и вольфрамовые пластины чередуются со слоями эмульсии: во время экспериментов с частицами на БАК нейтрино могут сталкиваться с ядрами в свинцовых и вольфрамовых пластинах, производя частицы, которые оставляют следы в слоях эмульсии, что немного похоже на то, как ионизирующее излучение оставляет следы в камера Вильсона.

Пластины нужно проявлять как фотопленку. Затем физики могут проанализировать следы частиц, чтобы выяснить, что их произвело; было ли это нейтрино, и каков был «аромат» или тип нейтрино. Есть три разновидности нейтрино — электронный, мюонный и тау, а также их антинейтринные аналоги.

В ходе пилотного запуска FASERnu, проведенного в 2018 году, в слоях эмульсии было зарегистрировано шесть взаимодействий нейтрино. Может показаться, что это не так много, учитывая, сколько частиц производится за один запуск на БАК, но это дало коллаборационистам важную информацию.

Пилотный детектор был относительно небольшим аппаратом, весил около 29 кг. В настоящее время команда работает над полной версией, весом около 1100 кг. Этот прибор будет значительно более чувствительным и позволит исследователям различать ароматы нейтрино и их антинейтринные аналоги.

Они ожидают, что третья серия наблюдений Большого адронного коллайдера произведет 200 миллиардов электронных нейтрино, 6 триллионов мюонных нейтрино и 9 миллиардов тау-нейтрино и их антинейтрино. Поскольку на сегодняшний день мы обнаружили всего около 10 тау-нейтрино, это будет довольно большой проблемой.

Ученые возлагают свои надежды на обнаружение темных фотонов, которые на данный момент являются гипотетическими, но которые могут помочь раскрыть природу темной материи, таинственной, непосредственно необнаруживаемой массы, которая составляет большую часть материи Вселенной.

Но одно только обнаружение нейтрино является чрезвычайно захватывающим шагом вперед для нашего понимания фундаментальных компонентов Вселенной.

Исследование команды опубликовано в Physical Review D.