Por primera vez, los físicos han detectado signos de neutrinos en el Gran Colisionador de Hadrones.

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El equipo internacional Forward Search Experiment, dirigido por físicos de la Universidad de California, Irvine, ha realizado la primera detección de un neutrino candidato producido por el Gran Colisionador de Hadrones en CERN Instalación cerca de Ginebra, Suiza.

En un artículo de investigación publicado en la revista el 24 de noviembre de 2021. revisión física dEn 2018, los investigadores describen cómo observaron seis interacciones de neutrinos durante una ejecución experimental de un detector de emulsión presurizada instalado en el LHC en 2018.

“Antes de este proyecto, no había señales de neutrinos en el colisionador de partículas”, dijo el coautor Jonathan Feng, profesor distinguido de Física y Astronomía de la UCI y colíder de la Colaboración FASER. “Este importante avance es un paso hacia el desarrollo de una comprensión más profunda de estas escurridizas partículas y el papel que desempeñan en el universo”.

Dijo que el descubrimiento realizado durante el piloto le dio a su equipo dos importantes datos.

El detector de partículas FASER aprobado por el CERN que se instalará en el Gran Colisionador de Hadrones en 2019 se mejoró recientemente con un instrumento para detectar neutrinos. El equipo de FASER dirigido por la UCI utilizó un detector más pequeño del mismo tipo en 2018 para hacer las primeras observaciones de las elusivas partículas generadas en el colisionador. Los investigadores dijeron que el nuevo instrumento podrá detectar miles de interacciones de neutrinos durante los próximos tres años. Fuente de la imagen: CERN

“Primero, verifique que la posición delantera del punto de interacción ATLAS en el LHC sea la ubicación correcta para detectar neutrinos colisionadores”, dijo Feng. “En segundo lugar, nuestros esfuerzos demostraron la efectividad de usar un detector de emulsión para monitorear este tipo de interacciones de neutrinos”.

El instrumento experimental estaba compuesto por placas de plomo y tungsteno alternadas con capas de emulsión. Durante las colisiones de partículas en el LHC, algunos neutrinos hicieron que los densos núcleos de metal se rompieran, creando partículas que viajan a través de las capas de la emulsión y crean marcas visibles después del procesamiento. Estas inscripciones proporcionan pistas sobre las energías y los sabores de la partícula (tau, muón o electrón) y si son neutrinos o antineutrinos.

Según Feng, la emulsión funciona de manera similar a la fotografía en la era anterior a las cámaras digitales. Cuando la película de 35 mm se expone a la luz, los fotones dejan rastros que aparecen como patrones a medida que se revela la película. Los investigadores de FASER también pudieron ver interacciones de neutrinos después de que se eliminaron y desarrollaron las capas de emulsión en el detector.

“Después de verificar la efectividad del enfoque del detector de emulsión para observar las interacciones de los neutrinos generados por el colisionador de partículas, el equipo de FASER ahora está configurando una nueva serie de experimentos con un instrumento completo que es mucho más grande y significativamente más sensible”, dijo Feng. .

El experimento FASER se encuentra a 480 metros del punto de interacción Atlas en el Gran Colisionador de Hadrones. Según Jonathan Feng, profesor distinguido de física y astronomía de la UCI y codirector de la colaboración FASER, este es un buen sitio para detectar neutrinos a partir de colisiones de partículas en la instalación. Fuente de la imagen: CERN

Desde 2019, él y sus colegas se han estado preparando para realizar un experimento utilizando los instrumentos FASER para examinar la materia oscura del LHC. Esperan descubrir fotones oscuros, lo que les dará a los investigadores un primer vistazo de cómo la materia oscura interactúa con los átomos naturales y otra materia del universo a través de fuerzas distintas a la gravedad.

Con el éxito de su trabajo con neutrinos en los últimos años, el equipo FASER, compuesto por 76 físicos de 21 instituciones en nueve países, está combinando un nuevo detector de emulsión con el instrumento FASER. Mientras que el detector experimental pesa alrededor de 64 libras, el instrumento FASERnu pesará más de 2,400 libras y será más reactivo y capaz de distinguir entre tipos de neutrinos.

dijo el coautor David Kasper, co-líder del proyecto FASER y profesor asociado de física y astronomía en la UCI. “Descubriremos los neutrinos de mayor energía que se han producido a partir de una fuente artificial”.

Lo que hace que FASERnu sea único, dijo, es que mientras que otros experimentos han podido distinguir entre uno o dos tipos de neutrinos, podrán observar los tres sabores, así como sus contrapartes antineutrinos. Casper dijo que solo ha habido alrededor de 10 observaciones de neutrinos tau en toda la historia de la humanidad, pero espera que su equipo pueda duplicar o triplicar ese número en los próximos tres años.

“Esta es una conexión increíblemente maravillosa con la tradición en el departamento de física aquí en la UCI”, dijo Feng, ya que continúa el legado de Frederick Raines, un miembro de la facultad fundador de la UCI que ganó el Premio Nobel de Física por ser el primero en descubrir neutrinos. “

“Hemos producido un experimento de clase mundial en el principal laboratorio de física de partículas del mundo en un tiempo récord y con recursos muy poco convencionales”, dijo Casper. “Tenemos una enorme deuda de gratitud con la Fundación Heising-Simons y la Fundación Simons, así como con la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y el CERN, que nos han apoyado generosamente”.

Referencia: “Los primeros candidatos a la interacción de neutrinos en el LHC” de Henso Abreu et al. (Colaboración FASER), 24 de noviembre de 2021, disponible aquí. revisión física d.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.L091101

Savannah Shivley y Jason Arakawa, Ph.D. de UCLA. Estudiantes de física y astronomía también contribuyeron a la investigación.