Официально: впервые нейтрино были обнаружены в эксперименте на коллайдере

Наконец-то призрак действительно оказался в машине. Ранее в этом году ученые впервые обнаружили нейтрино, созданные в коллайдере частиц.

Эти многочисленные, но загадочные субатомные частицы настолько удалены от остальной материи, что скользят сквозь нее, как призраки, что дает им прозвище «частицы-призраки».

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

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 Италии еще в марте 2023 года.

«Мы обнаружили нейтрино из совершенно нового источника — коллайдеров частиц — где два пучка частиц сталкиваются при чрезвычайно высокой энергии», — сказал тогда физик элементарных частиц Джонатан Фенг из Калифорнийского университета в Ирвайне.

Теперь две рецензируемые статьи (здесь и здесь) наконец-то опубликовали информацию об обнаружении, что сделало всю эту историю более официальной и захватывающей.

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

Нейтрино производятся в энергетических процессах, таких как ядерный синтез, происходящий внутри звезд, или взрывы сверхновых. И хотя мы можем не замечать их в повседневной жизни, физики полагают, что их масса – какой бы незначительной она ни была – вероятно, влияет на гравитацию Вселенной (хотя нейтрино в значительной степени исключены из числа темной материи).

Хотя их взаимодействие с материей невелико, оно не совсем отсутствует; Время от времени космическое нейтрино сталкивается с другой частицей, вызывая 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 Фермилабе в Иллинойсе — три таких детектора.

Однако нейтрино, производимые в коллайдерах частиц, уже давно ищут физики, поскольку связанные с ними высокие энергии не так хороши. хорошо изучены как нейтрино низкой энергии.

«Они могут рассказать нам о глубоком космосе так, как мы не можем узнать иначе», — говорит физик элементарных частиц Джейми Бойд из ЦЕРН. «Эти нейтрино очень высоких энергий на БАКе важны для понимания действительно интересных наблюдений в области астрофизики элементарных частиц».

FASERnu — это эмульсионный детектор, состоящий из вольфрамовых пластин толщиной в миллиметр, чередующихся со слоями эмульсионной пленки. Вольфрам был выбран из-за его высокой плотности, повышающей 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, которые оставляют следы в слоях эмульсии, что немного похоже на процесс ионизации. излучение оставляет следы в камере Вильсона.

Эти пластины необходимо проявить, как фотопленку, прежде чем физики смогут проанализировать следы частиц и выяснить, что их породило.

Шесть нейтрино кандидаты были идентифицированы и опубликованы еще в 2021 году. Теперь исследователи подтвердили свое открытие, используя данные третьего запуска модернизированного БАКа, начавшегося в прошлом году, с уровнем значимости 16 сигм.

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

Команда FASER все еще усердно работает над анализом данных, собранных детектором, и вполне вероятно, что за этим последует еще много обнаружений нейтрино. . Ожидается, что третий запуск БАК продлится до 2026 года, а 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 нейтринных взаимодействий, а это означает, что мы едва прикоснулись к тому, что может предложить FASERnu.

«Нейтрино — единственные известные частицы, которые гораздо более крупные эксперименты на Большом адроном коллайдере не могут напрямую обнаружить», — говорит он, — «поэтому Успешные наблюдения FASER означают, что весь физический потенциал коллайдера наконец-то используется».

Результаты команды были опубликованы в Physical Review Letters здесь и здесь.

Версия этой статьи была впервые опубликована в марте 2023 года.