Natuurkundigen ontdekken voor het eerst raadselachtige ‘spookdeeltjes’ bij de LHC

Een grote doorbraak in de deeltjesfysica is bereikt bij de Large Hadron Collider (LHC).

eerste keer filteren neutrino’s Ze werden ontdekt, niet alleen in de LHC, maar ook in Die Deeltjesversneller.

De zes interacties van neutrino’s, ontdekt met behulp van de FASERnu Sub-Nutrino Detector, bewijzen niet alleen de haalbaarheid van de technologie, maar openen een nieuwe weg voor het bestuderen van deze mysterieuze deeltjes, vooral bij hoge energieën.

“Vóór dit project was er geen teken van neutrino’s in de deeltjesversneller,” zei hij. Natuurkundige Jonathan Feng zei: van de University of California, Irvine, co-voorzitter van de FASER Collaboration.

“Deze belangrijke doorbraak is een stap in de richting van het ontwikkelen van een dieper begrip van deze ongrijpbare deeltjes en de rol die ze spelen in het universum.”

Neutrino’s komen eigenlijk overal voor. Het is een van de meest voorkomende subatomaire deeltjes in het universum. Maar het draagt ​​geen lading en heeft bijna geen massa, dus hoewel het met bijna de lichtsnelheid door het universum stroomt, heeft het er nauwelijks interactie mee. Miljarden dingen stromen nu door je heen. Voor het neutrino is de rest van het universum in wezen immaterieel; Om deze reden worden ze ook wel spookdeeltjes genoemd.

Hoewel ze zelden interactie hebben, is dit nooit hetzelfde. Detectoren zoals ijsblokje op Antartica, Super Kamiokande in Japan en mini pong Bij Fermilab in Illinois gebruikte hij gevoelige fotodetectorarrays die zijn ontworpen om de lichtregens op te vangen die verschijnen wanneer neutrino’s bijvoorbeeld in een volledig donkere omgeving interageren met andere deeltjes.

Maar lange tijd wilden wetenschappers ook neutrino’s bestuderen die ontstaan ​​bij deeltjesbotsingen. Dat komt omdat Collider-neutrino’s, die voornamelijk ontstaan ​​uit het verval van hadronen, worden geproduceerd met zeer hoge energieën, die niet goed zijn bestudeerd. Collider-neutrino-detectie biedt toegang tot neutrino-energieën en typen die zelden elders worden gezien.

FASERnu is wat bekend staat als een bestand Emulgator reagens. Lood- en wolfraamplaten wisselen elkaar af met lagen emulsie: Tijdens deeltjesexperimenten in de LHC kunnen neutrino’s botsen met kernen in lood- en wolfraamplaten, waardoor deeltjes ontstaan ​​die sporen achterlaten in de lagen van de emulsie, net zoals ioniserende straling paden maakt in een wolkenkamer.

Schilderijen moeten worden ontwikkeld als fotografische film. Vervolgens konden natuurkundigen de banen van de deeltjes analyseren om te zien waardoor ze werden geproduceerd; Of het nu een neutrino is, wat is dan de “smaak” of het type van een neutrino. Er zijn drie smaken van neutrino’s – elektron, muon en tau – evenals hun antineutrino-tegenhangers.

In de FASERnu-experimentenrun die in 2018 werd uitgevoerd, werden zes kandidaat-neutrino-interacties geregistreerd in de emulsielagen. Dit klinkt misschien niet zo veel, gezien het aantal deeltjes dat wordt geproduceerd tijdens de operatie van de Large Hadron Collider, maar het gaf de samenwerking wel twee belangrijke informatie.

“Controleer eerst of de voorste positie van het ATLAS-interactiepunt in de LHC de juiste locatie is voor het detecteren van collider-neutrino’s,” Feng zei. “Ten tweede hebben onze inspanningen de effectiviteit aangetoond van het gebruik van een emulsiedetector om dit soort neutrino-interacties te volgen.”

De experimentele detector was een relatief klein apparaat, ongeveer 29 kg (64 lb). Het team werkt momenteel aan de volledige versie, ongeveer 1.100 kilogram (meer dan 2.400 pond). Dit instrument zou aanzienlijk gevoeliger zijn en zou onderzoekers in staat stellen de smaken van neutrino’s te onderscheiden van hun antineutrino-tegenhangers.

Ze voorspellen dat de derde LHC-waarnemingscyclus 200 miljard elektronenneutrino’s, 6 biljoen muon-neutrino’s, 9 miljard tau-neutrino’s en hun antineutrino’s zal produceren. Aangezien we tot nu toe slechts ongeveer 10 tau-neutrino’s hebben gedetecteerd, zou dit een behoorlijk groot probleem zijn.

De coöperatie kijkt ook naar een meer ongrijpbare prooi. Ze hebben hoge verwachtingen van de onthulling donkere fotonen, wat momenteel hypothetisch is, maar kan helpen de aard van donkere materieDe mysterieuze, niet-detecteerbare massa die de meeste materie in het universum vormt.

Maar de ontdekkingen van neutrino’s alleen al zijn een zeer opwindende stap voorwaarts voor ons begrip van de fundamentele componenten van het universum.

“Gezien de kracht van onze nieuwe detector en zijn hoofdlocatie bij CERN, verwachten we meer dan 10.000 neutrino-interacties te kunnen registreren in de volgende ronde van de LHC, te beginnen in 2022”, Natuurkundige en astronoom David Kasper zei: van de Universiteit van Californië, Irvine, co-voorzitter van het FASER-project.

“We zullen de neutrino’s met de hoogste energie ontdekken die zijn geproduceerd uit een door de mens gemaakte bron.”

Het onderzoek van het team is gepubliceerd in fysieke beoordeling d.