FASER er født:Nyt eksperiment vil studere partikler, der interagerer med mørkt stof

Det nyeste eksperiment på CERN, Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning, er nu på plads ved Large Hadron Collider i Genève. FASER, eller fremsend søgeeksperiment, blev godkendt af CERNs forskningsråd i marts 2019. Nu installeret i LHC-tunnelen, dette eksperiment, som søger at forstå partikler, som videnskabsmænd mener kan interagere med mørkt stof, gennemgår test, inden dataindsamlingen starter næste år.

"Dette er en stor milepæl for eksperimentet, " sagde Shih-Chieh Hsu, en FASER videnskabsmand og University of Washington lektor i fysik. "FASER vil være klar til at indsamle data fra kollisioner ved Large Hadron Collider, når de genoptages i foråret 2022."

FASER er designet til at studere interaktioner mellem neutrinoer med høj energi og til at søge efter nye, endnu uopdagede lette og svagt interagerende partikler, som nogle forskere mener interagerer med mørkt stof. I modsætning til synligt stof, som udgør os og vores verden, det meste stof i universet – omkring 85 % – består af mørkt stof. At studere lyse og svagt interagerende partikler kan afsløre ledetråde til naturen af ​​mørkt stof og andre langvarige gåder, såsom neutrinomassernes oprindelse.

FASER-samarbejdet består af 70 medlemmer fra 19 institutioner og otte lande. FASER-forskere ved UW inkluderer Hsu, postdoc forsker Ke Li, ph.d.-studerende John Spencer og studerende Murtaza Jafry og Jeffrey Gao. UW-teamet har været involveret i bestræbelserne på at udvikle software og evaluere ydeevnen af ​​dele af FASER-detektoren, samt granske data fra detektoren i dens idriftsættelsesperiode. De vil også overvåge ydeevnen af ​​instrumenter i detektoren og analysere data, når kollisioner ved LHC genoptages næste år.

Forskere mener, at LHC's kollisioner producerer de lette og svagt interagerende partikler, som FASER er designet til at detektere. Disse kan være langlivede partikler, rejser hundredvis af meter, før de henfalder til andre partikler, som FASER vil måle.

Forsøget er placeret i en ubrugt servicetunnel langs strålekollisionsaksen, kun 480 meter – eller næsten 1, 600 fod - fra interaktionspunktet for LHC's seks-etagers ATLAS-detektor. Denne nærhed sætter FASER i en optimal position til at detektere henfaldsprodukterne fra de lette og svagt interagerende partikler.

Det første anlægsarbejde for FASER startede i maj 2020. Om sommeren de første tjenester og elsystemer blev installeret, og i november, FASERs tre magneter blev sat på plads i renden.

"Vi er ekstremt glade for at se dette projekt komme til live så hurtigt og problemfrit, " sagde CERN-forsker Jamie Boyd, en FASER-medtalsmand. "Selvfølgelig, dette ville ikke have været muligt uden eksperthjælp fra de mange involverede CERN-hold!"

FASER-detektoren er 5 meter lang, eller omkring 16,5 fod, og to scintillatorstationer sidder ved dens indgang. Stationerne vil fjerne baggrundsinterferens fra ladede partikler, der kommer gennem hulmuren fra ATLAS-interaktionspunktet. Dernæst er en dipolmagnet på 1,5 meter, eller omkring 5 fod, lang. Det efterfølges af et spektrometer, der består af to dipolmagneter, hver 1 meter eller lidt over 3 fod lang, med tre sporingsstationer, to i hver ende og en mellem magneterne. Hver sporingsstation består af lag af præcisionssiliciumstrimmeldetektorer. Scintillatorstationer til udløsning og præcisionstidsmålinger er placeret ved indgangen og udgangen af ​​spektrometret.

Den sidste komponent er det elektromagnetiske kalorimeter. Dette vil identificere højenergielektroner og fotoner og måle den samlede elektromagnetiske energi. Hele detektoren køles ned til 15 C, eller 59 F, af en selvstændig kølestation.

Nogle af disse komponenter blev samlet af reservedele fra andre LHC-eksperimenter, inklusive ATLAS og LHCb, ifølge Boyd.

FASER vil også have en subdetektor, kaldet FASERν, som er specielt designet til at detektere neutrinoer. Ingen neutrino produceret ved en partikelkolliderer er nogensinde blevet opdaget, trods kollidere, der producerer dem i stort antal og ved høje energier. FASERν består af emulsionsfilm og wolframplader, der fungerer som både målet og detektoren for at se neutrino-interaktionerne. FASERν skulle være klar til installation i slutningen af ​​året. Hele eksperimentet vil begynde at tage data under kørsel 3 af LHC, starter i 2022.