Fisikawan menemukan tanda-tanda neutrino di Large Hadron Collider untuk pertama kalinya

Penayangan perdana ilmiah di fasilitas CERN merupakan pratinjau kampanye penelitian 3 tahun mendatang.

Tim internasional Eksperimen Pencarian Teruskan, yang dipimpin oleh fisikawan dari Universitas California, Irvine, untuk pertama kalinya berhasil menemukan kandidat neutrino dari Large Hadron Collider di CERN dekat Jenewa, Swiss.

Dalam sebuah artikel yang diterbitkan di majalah pada 24 November 2021 Verifikasi fisik Dpara peneliti menjelaskan bagaimana mereka mengamati enam interaksi neutrino selama uji coba detektor emulsi kompak yang dipasang di LHC pada tahun 2018.

“Sebelum proyek ini, tidak ada tanda-tanda neutrino yang terlihat pada akselerator partikel,” kata rekan penulis Jonathan Feng, Profesor Fisika dan Astronomi UCI dan salah satu pemimpin kolaborasi FASER. “Terobosan besar ini adalah langkah menuju pemahaman yang lebih dalam tentang partikel yang sulit dipahami ini dan peran mereka di alam semesta.”

Dia mengatakan penemuan yang dibuat selama pilot memberi timnya dua informasi penting.

Detektor partikel FASER, yang menerima persetujuan CERN pada tahun 2019 untuk dipasang di Large Hadron Collider, baru-baru ini diperluas untuk menyertakan instrumen untuk mendeteksi neutrino. Tim FASER yang dipimpin UCI menggunakan detektor yang lebih kecil dari jenis yang sama pada tahun 2018 untuk melakukan pengamatan pertama dari partikel yang sulit dipahami yang dihasilkan pada penumbuk. Instrumen baru akan mampu mendeteksi ribuan interaksi neutrino selama tiga tahun ke depan, kata para peneliti. Kredit Gambar: Foto milik CERN

“Pertama, dipastikan bahwa posisi di depan titik interaksi ATLAS di LHC adalah tempat yang tepat untuk melihat neutrino tumbruk,” kata Feng. “Kedua, upaya kami telah menunjukkan betapa efektifnya menggunakan detektor emulsi untuk mengamati jenis interaksi neutrino ini.”

Instrumen percontohan terdiri dari pelat timah dan tungsten bergantian dengan lapisan emulsi. Ketika partikel bertabrakan di LHC, beberapa neutrino yang dihasilkan pecah menjadi inti dalam logam padat, menciptakan partikel yang bermigrasi melalui lapisan emulsi dan meninggalkan jejak yang terlihat setelah diproses. Etsa ini memberikan petunjuk tentang energi partikel, rasa mereka – embun, muon atau elektron – dan apakah mereka neutrino atau antineutrino.

Menurut Feng, emulsi bekerja mirip dengan fotografi di era kamera pra-digital. Ketika film 35 milimeter terpapar, foton meninggalkan jejak yang menjadi terlihat sebagai pola saat film dikembangkan. Para peneliti FASER juga dapat mengamati interaksi neutrino setelah menghilangkan dan mengembangkan lapisan emulsi detektor.

“Setelah memeriksa keefektifan pendekatan detektor emulsi untuk mengamati interaksi neutrino yang dihasilkan pada akselerator partikel, tim FASER sekarang sedang mempersiapkan serangkaian eksperimen baru dengan instrumen yang jauh lebih besar dan secara signifikan lebih sensitif,” kata Feng.

Eksperimen FASER terletak 480 meter dari titik interaksi ATLAS di Large Hadron Collider. Menurut Jonathan Feng, Profesor Fisika & Astronomi UCI dan salah satu pemimpin Kolaborasi FASER, ini adalah tempat yang baik untuk mendeteksi neutrino yang dihasilkan dari tabrakan partikel di fasilitas tersebut. Kredit Gambar: Foto milik CERN

Sejak 2019 ia dan rekan-rekannya telah mempersiapkan eksperimen dengan instrumen FASER untuk mempelajari materi gelap di LHC. Mereka berharap dapat mendeteksi foton gelap, yang akan memberi peneliti pandangan sekilas tentang bagaimana materi gelap berinteraksi dengan atom normal dan materi lain di alam semesta melalui gaya non-gravitasi.

Dengan keberhasilan pekerjaan neutrino mereka dalam beberapa tahun terakhir, tim FASER – yang terdiri dari 76 fisikawan dari 21 institusi di sembilan negara – menggabungkan detektor emulsi baru dengan peralatan FASER. Sementara detektor pilot beratnya sekitar 64 pon, instrumen FASERnu akan memiliki berat lebih dari 2.400 pon, dan akan jauh lebih reaktif dan mampu membedakan antara varietas neutrino.

“Mengingat kemampuan detektor baru kami dan lokasi utamanya di CERN, kami berharap dapat merekam lebih dari 10.000 interaksi neutrino dalam rangkaian LHC berikutnya mulai tahun 2022,” kata rekan penulis David Casper, rekan pemimpin proyek FASER dan profesor untuk Fisika dan astronomi di UCI. “Kami akan mendeteksi neutrino paling energik yang pernah dihasilkan dari sumber buatan manusia.”

Apa yang membuat FASERnu unik, katanya, adalah bahwa sementara eksperimen lain telah mampu membedakan antara satu atau dua jenis neutrino, ia akan dapat mengamati ketiga rasa ditambah rekan antineutrino mereka. Casper mengatakan hanya ada sekitar 10 pengamatan tau neutrino dalam semua sejarah manusia, tetapi dia yakin timnya dapat menggandakan atau melipattigakan jumlah itu selama tiga tahun ke depan.

“Ini adalah anggukan yang sangat bagus untuk tradisi departemen fisika di UCI ini,” kata Feng, “karena itu meneruskan warisan Frederick Reines, anggota pendiri fakultas UCI yang menerima Hadiah Nobel Fisika, yang pertama , neutrino ditemukan.”

“Kami melakukan eksperimen kelas dunia di laboratorium fisika partikel terkemuka di dunia dalam waktu singkat dan dengan sumber yang sangat tidak konvensional,” kata Casper. “Kami sangat berterima kasih kepada Heising Simons Foundation dan Simons Foundation serta Japan Society for the Promotion of Science dan CERN, yang telah dengan murah hati mendukung kami.”

Referensi: “Kandidat interaksi neutrino pertama di LHC” oleh Henso Abreu et al. (kolaborasi FASER), 24 November 2021, Verifikasi fisik D.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.L091101

Savannah Shively dan Jason Arakawa, UCI Ph.D. Siswa fisika dan astronomi juga berkontribusi pada pekerjaan itu.