FASER måler højenergi neutrino interaktionsstyrke

FASER-eksperimentet, der har fungeret ved CERNs Large Hadron Collider (LHC) siden 2022, er designet til at søge efter ekstremt svagt interagerende partikler. Sådanne partikler forudsiges af mange teorier ud over standardmodellen, der forsøger at løse udestående problemer i fysik, såsom naturen af ​​mørkt stof og stof-antistof-ubalancen i universet.

Et andet mål med eksperimentet er at studere interaktioner mellem højenergi-neutrinoer produceret i LHC-kollisioner, partikler, der er næsten umulige at opdage i de fire store LHC-eksperimenter. I sidste uge, på den årlige Rencontres de Moriond-konference, præsenterede FASER-samarbejdet en måling af interaktionsstyrken eller "tværsnittet" af elektronneutrinoer (ν_e ) og myonneutrinoer (ν_μ ).

Det er første gang, en sådan måling er blevet foretaget ved en partikelkolliderer. Målinger af denne art kan give vigtig indsigt på tværs af forskellige aspekter af fysik, lige fra at forstå produktionen af ​​"fremadgående" partikler i LHC-kollisionerne og forbedre vores forståelse af protonens struktur til fortolkning af målinger af højenergi neutrinoer fra astrofysiske kilder udført af neutrino-teleskop eksperimenter.

FASER er placeret i en sidetunnel af LHC-acceleratoren, 480 meter væk fra ATLAS-detektorens kollisionspunkt. På det sted er LHC-strålen allerede næsten 10 meter væk og bøjer sig væk på sin cirkulære 27 kilometer lange sti. Dette er et unikt sted til at studere svagt interagerende partikler produceret i LHC-kollisioner.

Ladede partikler, der produceres ved kollisionerne, afbøjes af LHC-magneterne. De fleste neutrale partikler stoppes af de hundredvis af meter sten mellem FASER og ATLAS. Kun meget svagt interagerende neutrale partikler som neutrinoer forventes at fortsætte ligeud og nå det sted, hvor detektoren er installeret.

Sandsynligheden for, at en neutrino interagerer med stof er meget lille, men ikke nul. Den type interaktion, som FASER er følsom over for, er, hvor en neutrino interagerer med en proton eller en neutron inde i detektoren. I denne interaktion omdannes neutrinoen til en ladet "lepton" af samme familie - en elektron i tilfælde af en ν_e , og en myon i tilfælde af en ν_μ - hvilket er synligt i detektoren. Hvis neutrinoens energi er høj, produceres der også flere andre partikler i kollisionen.

Detektoren, der bruges til at udføre målingen, består af 730 interleaved wolframplader og fotografiske emulsionsplader. Emulsionen blev eksponeret i perioden 26. juli til 13. september 2022 og derefter kemisk udviklet og analyseret på jagt efter ladede partikelspor.

Kandidater til neutrino-interaktioner blev identificeret ved at lede efter klynger af spor, der kunne spores tilbage til et enkelt vertex. Et af disse spor skulle derefter identificeres som en højenergielektron eller myon.

I alt fire kandidater til en ν_e interaktion og otte kandidater til en ν_μ interaktion er fundet. De fire ν_e kandidater repræsenterer den første direkte observation af elektronneutrinoer produceret ved en kolliderer. Observationerne kan tolkes som målinger af neutrino-interaktionstværsnit, der giver (1,2 ^+0,9 _−0,8 ) ×10 ⁻³⁸ cm ² GeV ⁻¹ i tilfælde af ν_e og (0,5 ± 0,2) × 10 ^-38 cm ² GeV ⁻¹ i tilfælde af ν_μ .

Neutrinoernes energier viste sig at være i et område mellem 500 og 1700 GeV. Ingen måling af neutrino-interaktionstværsnittet var tidligere blevet foretaget ved energier over 300 GeV i tilfældet med ν_e og mellem 400 GeV og 6 TeV i tilfælde af ν_μ .

Resultaterne opnået af FASER, sendt til arXiv preprint-server, er i overensstemmelse med forventningerne og demonstrerer FASER's evne til at foretage neutrinotværsnitsmålinger ved LHC. Med de fulde LHC Run 3-data vil 200 gange flere neutrinohændelser blive detekteret, hvilket muliggør meget mere præcise målinger.

Flere oplysninger: Første måling af v_e og ν_μ Interaktionstværsnit ved LHC med FASER's emulsionsdetektor, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.12520

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af CERN