Эксперимент FASER на БАК: поиск новых частиц и изучение нейтрино

На границе известного и неизведанного, где законы физики переплетаются с тайнами космоса, разворачивается захватывающая драма научного поиска. В центре внимания – неуловимые частицы, способные пролить свет на самые глубокие загадки Вселенной: темная материя, дисбаланс материи и антиматерии, рождение и взаимодействие нейтрино. И на авансцене этой драмы – эксперимент FASER, ведущий свою работу на Большом адронном коллайдере (БАК).

FASER – это не просто очередной детектор, это настоящий охотник за призраками, способный увидеть то, что ускользает от внимания других. Его цель – экстремально слабо взаимодействующие частицы, теоретические сущности, предсказанные множеством моделей, но до сих пор не обнаруженные.

Представьте себе частицы, способные проходить сквозь сотни метров камня, словно сквозь пустоту. Именно такие призраки ищет FASER, используя уникальное расположение – боковой туннель БАК, вдали от основного детектора. Здесь, вдали от суеты столкновений, FASER ловит редкие сигналы, которые могут указывать на присутствие новых, экзотических частиц.

Но это не единственная задача FASER. В фокусе внимания эксперимента – нейтрино высоких энергий, рождающиеся в столкновениях на БАК. Эти призрачные частицы, практически не взаимодействующие с материей, являются ключом к пониманию многих процессов во Вселенной. И FASER впервые смог измерить силу их взаимодействия, открывая новую главу в изучении нейтрино.

📷

Дисплеи событий, идентифицированные коллаборацией FASER как кандидаты на ν (слева) и ν (справа), взаимодействующих в детекторе. Невидимые здесь, нейтрино прилетают слева, а затем взаимодействуют, создавая множество треков, распыляющихся справа (цветные линии), одна из которых идентифицируется как заряженный лептон (помечена). (Авторство: High Energy Physics - Experiment (hep-ex); High Energy Physics - Phenomenology (hep-ph); Instrumentation and Detectors (physics.ins-det) arXiv:2403.12520 https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.12520 CC-BY 4.0)

Как же FASER ловит эти неуловимые частицы? В основе детектора – стопка вольфрамовых и фотоэмульсионных пластин. Нейтрино, проходя сквозь детектор, с ничтожной вероятностью могут столкнуться с ядром атома вольфрама. В результате такого столкновения рождается заряженный лептон – электрон или мюон, оставляющий свой след в эмульсии. Анализ этих следов позволяет ученым не только идентифицировать нейтрино, но и определить их энергию.

FASER уже достиг впечатляющих результатов, впервые зарегистрировав электронные нейтрино, рожденные на коллайдере. Полученные данные позволяют ученым уточнить модели взаимодействия нейтрино и пролить свет на их роль в эволюции Вселенной.

Но это только начало. С накоплением данных третьего этапа работы БАК, FASER сможет увидеть в 200 раз больше событий с участием нейтрино, открывая новые горизонты в понимании этих загадочных частиц.

FASER – это не просто эксперимент, это окно в неизведанное. Это возможность заглянуть за завесу привычной физики и увидеть то, что скрыто от наших глаз. И кто знает, какие тайны Вселенной раскроет этот охотник за призраками в будущем?