Физики впервые обнаружили неуловимые нейтрино на Большом адронном коллайдере

Международная команда ученых, возглавляемая физиками из Калифорнийского университета в Ирвине (UCI), впервые в истории обнаружила кандидаты в нейтрино на Большом адронном коллайдере (БАК).

Шесть взаимодействий нейтрино, обнаруженные с помощью субдетектора нейтрино FASERnu, не только демонстрируют высокий потенциал технологии, но и открывают новые возможности для изучения этих загадочных частиц.

«До этого момента на коллайдере частиц никогда не наблюдалось никаких признаков нейтрино, — прокомментировал физик Джонатан Фенг из UCI, участвовавший в эксперименте. — Этот важный прорыв — шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной».

Нейтрино на самом деле везде

Это одни из самых распространенных субатомных частиц во Вселенной. Однако нейтрино не несут заряда и имеют почти нулевую массу, поэтому, несмотря на их движение через Вселенную почти со скоростью света, они практически не взаимодействуют с ней. Миллиарды частиц нейтрино проходят через вас прямо сейчас, но для них вся Вселенная в основном «бестелесна»; вот почему они также известны как «частицы-призраки».

И хотя нейтрино редко взаимодействуют со Вселенной, это не то же самое, что никогда. Например, в таких детекторах, как IceCube в Антарктиде, Super-Kamiokande в Японии и MiniBooNE в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе, используются чувствительные матрицы фотодетекторов, предназначенные для улавливания световых потоков, возникающих, например, при взаимодействии нейтрино с другими частицами в условиях абсолютной темноты.

Но в течение долгого времени ученые мечтали зафиксировать и изучить нейтрино, образующиеся на коллайдерах частиц. Такое желание объясняется тем, что нейтрино коллайдера, которые возникают в основном при распаде адронов (класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию), производятся при очень высоких энергиях, которые довольно плохо изучены. Обнаружение нейтрино коллайдера обеспечивает доступ к энергиям и типам нейтрино, которые едва ли можно наблюдать где-либо еще.

FASERnu — это так называемый детектор эмульсии. Свинцовые и вольфрамовые пластины чередуются со слоями эмульсии: во время экспериментов с частицами на БАК нейтрино могут сталкиваться с ядрами в свинцовых и вольфрамовых пластинах, производя частицы, которые оставляют следы в слоях эмульсии, что немного похоже на то, как ионизирующее излучение оставляет следы в камере Вильсона (детектор треков быстрых заряженных частиц).

Пластины «проявляют» как фотопленку, а затем физики могут проанализировать следы частиц, чтобы установить, что их произвело: нейтрино ли это, а если нейтрино, то какого типа. Сегодня ученые различают три типа нейтрино — электронные, мюонные и тау, а также их антинейтринные аналоги.

Во время пилотного запуска FASERnu в 2018 году, в слоях эмульсии было зарегистрировано шесть взаимодействий нейтрино-кандидатов. Может показаться, что это не так много, учитывая, сколько частиц производится за один запуск на БАК, но это дало возможность понять две важные вещи:

«Во-первых, он [FASERnu] подтвердил, что положение перед точкой взаимодействия ATLAS на БАК является правильным местом для обнаружения нейтрино коллайдера, — сказал Фенг. — Во-вторых, наши усилия продемонстрировали эффективность использования детектора эмульсии для наблюдения такого рода нейтринных взаимодействий».

Тестовый детектор был относительно небольшим аппаратом, весившим около 29 килограммов. Сейчас команда работает над полной версией, которая будет весить более 1100 килограммов. Этот детектор будет в разы чувствительнее, что позволит исследователям фиксировать больше нейтрино и различать их типы и их антинейтринные аналоги.

Физики надеются, что третья серия наблюдений на БАК произведет 200 миллиардов электронных нейтрино, шесть триллионов мюонных нейтрино и девять миллиардов тау-нейтрино и их антинейтрино. Это довольно амбициозные планы, если учесть тот факт, что на сегодняшний день было обнаружено всего десять тау-нейтрино.

Глобальные планы

Ученые также присматриваются к еще более «неуловимой добыче», возлагая надежды на обнаружение темных фотонов, которые пока являются гипотетическими элементарными частицами, способными помочь раскрыть природу темной материи, таинственной, напрямую необнаруживаемой массы, составляющей большую часть материи во Вселенной.

Но даже одно только обнаружение нейтрино является чрезвычайно захватывающим и важным шагом вперед для нашего понимания фундаментальных компонентов Вселенной.

«Учитывая мощность нашего нового детектора и его удобное расположение в ЦЕРНе [Европейская организация по ядерным исследованиям, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий], мы ожидаем, что сможем зарегистрировать более 10 000 нейтринных взаимодействий уже при следующем запуске БАК, начиная с 2022 года», — сказал физик и астроном Дэвид Каспер из UCI, который участвовал в исследовании.