Untuk pertama kalinya, fisikawan mendeteksi tanda-tanda neutrino di Large Hadron Collider

Teach First di CERN Facility Preview untuk kampanye penelitian 3 tahun mendatang.

Tim Eksperimen Pencarian Maju internasional, yang dipimpin oleh fisikawan di University of California, Irvine, telah melakukan deteksi pertama kali terhadap kandidat neutrino yang diproduksi oleh Large Hadron Collider di CERN Fasilitas dekat Jenewa, Swiss.

Dalam makalah penelitian yang diterbitkan dalam jurnal pada 24 November 2021 tinjauan fisik dPada tahun 2018, para peneliti menjelaskan bagaimana mereka mengamati enam interaksi neutrino selama percobaan detektor emulsi bertekanan yang dipasang di LHC pada tahun 2018.

“Sebelum proyek ini, tidak ada tanda-tanda neutrino dalam penumbuk partikel,” kata rekan penulis Jonathan Feng, Profesor Fisika dan Astronomi UCI dan salah satu pemimpin Kolaborasi FASER. “Terobosan penting ini adalah langkah menuju pengembangan pemahaman yang lebih dalam tentang partikel yang sulit dipahami ini dan peran yang mereka mainkan di alam semesta.”

Dia mengatakan penemuan yang dibuat selama pilot memberi timnya dua informasi penting.

Detektor partikel FASER yang disetujui CERN untuk dipasang di Large Hadron Collider pada 2019 baru-baru ini ditingkatkan dengan detektor neutrino. Tim FASER yang dipimpin UCI menggunakan detektor yang lebih kecil dari jenis yang sama pada tahun 2018 untuk melakukan pengamatan pertama terhadap partikel yang sulit dipahami yang dihasilkan di alat penumbuk. Para peneliti mengatakan instrumen baru akan mampu mendeteksi ribuan interaksi neutrino selama tiga tahun ke depan. Sumber gambar: CERN

“Pertama, verifikasi bahwa posisi maju titik interaksi ATLAS di LHC adalah lokasi yang benar untuk mendeteksi neutrino penumbuk,” kata Feng. “Kedua, upaya kami menunjukkan efektivitas penggunaan detektor emulsi untuk memantau jenis interaksi neutrino ini.”

Instrumen eksperimen terdiri dari pelat timbal dan tungsten yang diselingi dengan lapisan emulsi. Selama tumbukan partikel di LHC, beberapa neutrino menyebabkan inti logam padat pecah, menciptakan partikel yang bergerak melalui lapisan emulsi dan membuat tanda yang terlihat setelah diproses. Prasasti ini memberikan petunjuk tentang energi dan rasa partikel – tau, muon atau elektron – dan apakah mereka neutrino atau antineutrino.

Menurut Feng, emulsi bekerja dengan cara yang mirip dengan fotografi di era kamera pra-digital. Ketika film 35 mm terkena cahaya, foton meninggalkan jejak yang muncul sebagai pola saat film dikembangkan. Para peneliti FASER juga dapat melihat interaksi neutrino setelah lapisan emulsi dalam detektor dihilangkan dan dikembangkan.

“Setelah memverifikasi efektivitas pendekatan detektor emulsi dalam mengamati interaksi neutrino yang dihasilkan oleh penumbuk partikel, tim FASER kini menyiapkan serangkaian eksperimen baru dengan instrumen lengkap yang jauh lebih besar dan secara signifikan lebih sensitif,” kata Feng. .

Eksperimen FASER terletak 480 meter dari titik interaksi Atlas di Large Hadron Collider. Menurut Jonathan Feng, Profesor Fisika dan Astronomi UCI dan salah satu pemimpin kolaborasi FASER, ini adalah situs yang bagus untuk mendeteksi neutrino dari tabrakan partikel di fasilitas tersebut. Sumber gambar: CERN

Sejak 2019, ia dan rekan-rekannya telah bersiap untuk melakukan eksperimen menggunakan instrumen FASER untuk memeriksa materi gelap LHC. Mereka berharap untuk menemukan foton gelap, yang akan memberi peneliti pandangan sekilas tentang bagaimana materi gelap berinteraksi dengan atom alami dan materi lain di alam semesta melalui kekuatan selain gravitasi.

Dengan keberhasilan pekerjaan neutrino mereka selama beberapa tahun terakhir, tim FASER – terdiri dari 76 fisikawan dari 21 institusi di 9 negara – menggabungkan detektor emulsi baru dengan instrumen FASER. Sementara detektor eksperimental beratnya sekitar 64 pon, instrumen FASERnu akan lebih dari 2.400 pon, dan akan lebih reaktif dan mampu membedakan antara jenis neutrino.

kata rekan penulis David Kasper, pemimpin proyek bersama FASER dan profesor fisika dan astronomi di UCI. “Kami akan menemukan neutrino berenergi tertinggi yang pernah dihasilkan dari sumber buatan manusia.”

Apa yang membuat FASERnu unik, katanya, adalah bahwa sementara eksperimen lain telah mampu membedakan antara satu atau dua jenis neutrino, mereka akan dapat mengamati ketiga rasa serta rekan antineutrino mereka. Casper mengatakan hanya ada sekitar 10 pengamatan tau neutrino dalam semua sejarah manusia, tetapi dia mengharapkan timnya akan dapat menggandakan atau tiga kali lipat jumlah itu dalam tiga tahun ke depan.

“Ini adalah hubungan yang sangat menarik dengan tradisi di departemen fisika di sini di UCI,” kata Feng, sambil melanjutkan warisan Frederick Raines, anggota fakultas pendiri di UCI yang memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisika karena menjadi yang pertama menemukan neutrino. “

“Kami telah menghasilkan eksperimen kelas dunia di laboratorium fisika partikel utama dunia dalam waktu singkat dan dengan sumber daya yang sangat tidak konvensional,” kata Casper. “Kami berutang banyak terima kasih kepada Yayasan Heising-Simons dan Yayasan Simons, serta Masyarakat Jepang untuk Promosi Ilmu Pengetahuan dan CERN, yang telah dengan murah hati mendukung kami.”

Referensi: “Kandidat pertama untuk interaksi neutrino di LHC” oleh Henso Abreu et al. (Kolaborasi FASER), 24 November 2021, Tersedia di sini. tinjauan fisik d.
DOI: 10.1103/ PhysRevD.104.L091101

Savannah Shivley dan Jason Arakawa, Ph.D. dari UCLA. Mahasiswa fisika dan astronomi, juga berkontribusi dalam penelitian ini.