Первое обнаружение ускорителя частиц

Впервые обнаружены нейтрино, образующиеся в результате ядерных реакций, запущенных Большим адронным коллайдером. Хотя физики были уверены, что реакции, происходящие, когда частицы ускоряются до скорости, близкой к скорости света, и сталкиваются друг с другом, производят нейтрино, собрать доказательства — совсем другое дело. Это достижение может помочь физикам элементарных частиц раскрыть некоторые из великих неизвестных в поведении субатомных частиц.

В 1930-х годах физики заметили, что продукты многих ядерных реакций переносят меньше энергии, чем частицы, предшествовавшие реакции. Это нарушает закон сохранения энергии, и очевидным объяснением было то, что нам не хватало каких-то дополнительных продуктов. Такие частицы, называемые нейтрино, должны были быть очень легкими (долгое время считалось, что они безмассовые) и очень слабо взаимодействовать с более знакомыми объектами. В противном случае нам было бы легче их обнаружить.

Несмотря на некоторое презрение к идее необнаружимых объектов, изобретенных исключительно для решения проблемы, в 1956 году было подтверждено, что нейтрино исходят из ядерного реактора, и это открытие было удостоено Нобелевской премии. С тех пор было обнаружено, что они исходят от Солнца, от взаимодействия космических лучей с верхними слоями атмосферы, а также от высокоэнергетических астрономических явлений, таких как сверхновые.

«С каждым новым источником приходят новые идеи, имеющие важные последствия для многих областей, от физики элементарных частиц до геофизики, астрофизики и космологии», — пишет коллаборация Forward Search Experiment (FASER). Исследователи даже выделили три типа, известных как ароматизаторы. Хотя триллионы частиц проходят через ваше тело каждую секунду, нужны огромные резервуары с водой, погребенные под землей, чтобы увидеть следы, оставленные крошечными частицами, которые производят или изменяют другие частицы при своем прохождении.

Числа, получаемые с помощью таких машин, как Большой адронный коллайдер ЦЕРН, естественно, составляют лишь небольшую часть чисел астрономического происхождения, что еще больше усложняет задачу их поиска. Тем не менее, теперь это сделали две команды независимо друг от друга.

«Нейтрино производятся в очень большом количестве в протонных коллайдерах, таких как БАК», — рассказал Phys.org Кристовао Вилела из коллаборации SND@LHC. «Однако до сих пор эти нейтрино никогда не наблюдались напрямую. Очень слабое взаимодействие нейтрино с другими частицами делает их обнаружение очень сложным, и из-за этого они являются наименее изученными частицами в Стандартной модели физики элементарных частиц».

Действительно, нейтрино — единственные частицы в Стандартной модели (и, следовательно, подтвержденное существование), которые не были обнаружены на коллайдерах частиц.

Обе команды использовали разные подходы к захвату нейтрино. Коллаборация FASER разместила свой детектор вдоль линии луча, чтобы нейтрино самой высокой энергии, продолжающие движение по тому же пути, что и частицы, могли проходить через него. Хотя нейтрино высоких энергий все еще трудно наблюдать, они с большей вероятностью будут взаимодействовать с другим веществом, чем нейтрино с более низкими энергиями.

Детектор FASER состоит из 730 листов вольфрама толщиной 1,1 мм (0,044 дюйма) каждый с эмульсионными пленками между ними. Команда была вознаграждена 153 обнаружениями выше фонового уровня с энергией более 200 миллиардов электрон-вольт за пять месяцев наблюдений.

SND@LHC, с другой стороны, отложил свой детектор в сторону и наблюдал только восемь событий-кандидатов. Обе команды защитили свои детекторы сотней метров камня и бетона, блокируя большинство других частиц, образующихся в результате реакции. Нейтрино с их низкой вероятностью взаимодействия со всей этой массой прошли невредимыми. Тем не менее Виела объяснил это для каждого нейтрино. Детектор SND@LHC уловил десятки миллионов мюонов, которые вызвали очень похожие сигналы.

Рассказы об иголках в стогах сена не отражают попыток отличить нейтринные взаимодействия от тех, которые вызываются мюонами.

Об открытии было объявлено в двух статьях в Physical Review Letters от FASER и SND@LHC.