Физики из коллаборации FASER сообщили о регистрации 153 событий взаимодействия нейтрино с веществом, рожденных при столкновении протонов высоких энергий на Большом адронном коллайдере. Статистическая значимость результата составила 16 стандартных отклонений. Это стало возможным благодаря увеличению размера детектора с 29 килограмм до одной тонны. О своих достижениях ученые рассказали на конференции по электрослабым взаимодействиям, проходившей в марте в Италии. Кратко об исследовании рассказывает пресс-релиз Калифорнийского университета в Ирвине.
Нейтрино — это одни из самых загадочных частиц, которые когда-либо регистрировали физики. Осцилляции разных типов нейтрино в друг друга доказывают, что они не безмассовые, что плохо согласуется со Стандартной моделью. Их также отличает многочисленность, вездесущность, а также слабость взаимодействия с остальной материей.
Нейтрино, которые изучают физики, либо прилетают к нам из космоса, либо испускаются атомными реакторами в процессе бета-распада. Эти лептоны должны также в больших количествах появляться и в третьем типе источников: ускорителях высоких энергий, самым передовым из которых по сей день остается Большой адронный коллайдер. Сейчас он находится в третьем сезоне работы и энергия столкновения протонов на нем уже достигла 13,6 тераэлектронвольт.
При строительстве большинства ускорителей физики решают иные задачи — по большей части поиск новых сильновзаимодействующих частиц или аномалий в поведении старых, — поэтому в изначальных проектах нейтринные детекторы отсутствуют. Это стало одной из мотиваций для запуска проекта FASER, расположившегося в одном из туннелей БАКа в 480 метрах от детектора ATLAS. В 2021 году мы рассказывали, что небольшой прототип нейтринного детектора зафиксировал шесть кандидатов в события регистрации нейтрино со статистической значимостью 2,7 сигма. После усовершенствования детектора и сбора данных в третьем сезоне ученые сообщают о 153 событиях со значимостью 16 стандартных отклонений.
Работа детектора FASER основана на чередовании металлических пластин со слоями эмульсионной пленки, стоящих на пути нейтрино, которые, как предполагают физики, в большом количестве рождаются в моменты столкновения протонных пучков. Хотя в этих процессах доминируют сильные взаимодействия, распады некоторых адронов происходят за счет слабого взаимодействия и сопровождаются испусканием нейтрино.
Пролетая через металлические слои (свинец и вольфрам), эти лептоны с небольшой вероятностью способны привести к рождению заряженных частиц, которые оставляют след в эмульсионной пленке. Фильтруя эти следы согласно нескольким критериям, а также отсутствию сигналов с сцинтилляторов, следящих за фоновыми частицами, ученые восстанавливали параметры прилетающих нейтрино. Чтобы повысить чувствительность, физики нарастили объем детектора с 29 килограмм до тонны (теперь он носит название FASERν).
Прибор бы настроен на поиск мюонных нейтрино. Обработка всех 153 зарегистрированных сигналов позволила измерить нейтринный спектр, который простирался от сотен до тысяч гигаэлектронвольт. Этот диапазон энергий очень важен, поскольку до этого момента энергии регистрируемых нейтрино были либо ощутимо меньше (реакторные и солнечные нейтрино), либо больше (иные космические нейтрино).
Кроме того, FASERν внесет свою лепту в копилку данных о процессах, происходящих при столкновении протонов на БАКе. Этот вклад со временем будет лишь расти: проектная мощность установки равна десяти тысячам событий. Физики собираются накопить их в течение третьего сезона работы коллайдера. Параллельно они будут собирать данные о взаимодействиях темных фотонов.
Вполне возможно, что ускорительные нейтрино помогут ученым в будущем разобраться с избытком и недостатком нейтрино разного типа, которые наблюдаются в некоторых экспериментах. Подробнее об этой проблеме читайте в материале «Чистая аномалия».