Fisikawan menemukan tanda-tanda neutrino di Large Hadron Collider

Tim Eksperimen Pencarian Maju internasional, yang dipimpin oleh fisikawan dari University of California, Irvine, telah mencapai deteksi kandidat neutrino pertama dari Large Hadron Collider di CERN dekat Jenewa, Swiss.

Dalam sebuah artikel yang diterbitkan hari ini di majalah 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.

“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. Lukisan-lukisan ini memberikan petunjuk tentang energi partikel, rasanya – embun, muon atau elektron – dan apakah itu 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 efektivitas pendekatan detektor emulsi pengamatan interaksi neutrino, yang pada a Akselerator partikel, tim FASER sekarang sedang mempersiapkan serangkaian eksperimen baru dengan instrumen lengkap yang jauh lebih besar dan secara signifikan lebih sensitif, ”kata Feng.

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 para 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 yang baru emulsi Detektor dengan perangkat FASER. Sementara detektor pilot memiliki berat sekitar 64 pon, instrumen FASERnu akan memiliki berat lebih dari 2.400 pon, dan akan jauh lebih reaktif dan mampu membedakan berbagai jenis 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 menemukan 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 indah terhadap tradisi departemen fisika di UCI ini,” kata Feng, “karena ini melanjutkan warisan Frederick Reines, anggota pendiri fakultas UCI yang menerima Hadiah Nobel Fisika, orang pertama yang menemukan Neutrino. “

“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.”

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