Исследователи говорят, что новая работа представляет собой первое прямое наблюдение коллайдерных нейтрино и поможет нам понять, как формируются эти частицы, каковы их свойства и их роль в эволюции Вселенной.
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. «Мы обнаружили нейтрино из совершенно нового источника — коллайдеров частиц — где два луча частиц сталкиваются друг с другом при чрезвычайно высокой энергии», — заявил физик Джонатан Фенг из Калифорнийского университета в Ирвине.
Загадка нейтрино
Нейтрино являются одними из самых распространенных субатомных частиц во Вселенной, уступая только фотонам. Но у них нет электрического заряда, их масса почти равна нулю, и они практически не взаимодействуют с другими встречающимися на пути частицами. Сотни миллиардов нейтрино проходят через ваше тело прямо сейчас.
Нейтрино образуются в энергетических условиях, таких как ядерный синтез, происходящий внутри звезд, или взрывы сверхновых. И хотя мы можем не замечать их изо дня в день, физики считают, что их масса — какой бы незначительной она ни была — вероятно, влияет на гравитацию Вселенной (хотя нейтрино практически исключены как темная материя).
Хотя их взаимодействие с материей невелико, оно все же не равно нулю; время от времени космическое нейтрино сталкивается с другой частицей, производя очень слабую вспышку света. Подземные детекторы, изолированные от других источников излучения, могут регистрировать эти всплески. IceCube в Антарктиде, Super-Kamiokande в Японии и MiniBooNE в Fermilab в Иллинойсе — три таких детектора.
Однако нейтрино, образующиеся на коллайдерах частиц, физики давно безрезультатно искали с особой тщательностью, поскольку их высокоэнергетические версии не так хорошо изучены, как нейтрино низких энергий. «Они могут рассказать нам о глубоком космосе так, как мы не смогли бы узнать иначе, — отметил физик элементарных частиц Джейми Бойд из CERN. - Эти нейтрино очень высокой энергии в LHC важны для понимания действительно захватывающих наблюдений в астрофизике элементарных частиц».
Детектор нейтрино
FASERnu представляет собой детектор эмульсии, состоящий из вольфрамовых пластин миллиметровой толщины, чередующихся со слоями эмульсионной пленки. Вольфрам был выбран из-за его высокой плотности, что увеличивает 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, производя частицы, которые оставляют следы в слоях эмульсии, подобно тому, как ионизирующее излучение оставляет следы в камере Вильсона. Эти пластины должны быть проявлены, как фотопленка, прежде чем физики смогут проанализировать следы частиц, чтобы выяснить, что их создало.
Шесть кандидатов в нейтрино были идентифицированы и опубликованы еще в 2021 году. Теперь исследователи подтвердили свое открытие, используя данные третьего запуска модернизированного БАК, начавшегося в прошлом году, с уровнем значимости 16 сигма. Это означает, что вероятность того, что сигналы были созданы случайным образом, настолько мала, что почти 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 последует еще много обнаружений нейтрино. Ожидается, что запуск 3 LHC продлится до 2026 года, и сбор и анализ данных продолжаются. Еще в 2021 году физик Дэвид Каспер из Калифорнийского университета в Ирвине прогнозировал, что запуск приведет к примерно 10 000 взаимодействий нейтрино, а это означает, что мы едва коснулись того, что может предложить FASERnu.
