Nhóm Thí nghiệm Tìm kiếm Chuyển tiếp quốc tế, dẫn đầu bởi các nhà vật lý tại Đại học California, Irvine, đã phát hiện lần đầu tiên một hạt neutrino ứng viên được tạo ra bởi Máy va chạm Hadron Lớn tại cơ sở CERN gần Geneva, Thụy Sĩ.

Trong một bài báo được xuất bản ngày hôm nay trên tạp chí đánh giá thể chất dVào năm 2018, các nhà nghiên cứu mô tả cách họ quan sát sáu tương tác neutrino trong quá trình chạy thử nghiệm của máy dò nhũ tương điều áp được lắp đặt tại LHC vào năm 2018.

“Trước dự án này, không có dấu hiệu của neutrino trong máy va chạm hạt,” đồng tác giả Jonathan Feng, Giáo sư Vật lý và Thiên văn học xuất sắc của UCI và đồng lãnh đạo của FASER Collaboration cho biết. “Bước đột phá quan trọng này là một bước để phát triển sự hiểu biết sâu sắc hơn về những hạt khó nắm bắt này và vai trò của chúng trong vũ trụ.”

Ông cho biết khám phá được thực hiện trong quá trình phi công đã cung cấp cho nhóm của ông hai thông tin quan trọng.

Feng nói: “Đầu tiên, hãy xác minh rằng vị trí thuận của điểm tương tác ATLAS trong LHC là vị trí chính xác để phát hiện các hạt neutrino va chạm. “Thứ hai, những nỗ lực của chúng tôi đã chứng minh hiệu quả của việc sử dụng máy dò nhũ tương để theo dõi các loại tương tác neutrino này.”

Dụng cụ thí nghiệm được cấu tạo bởi các tấm chì và vonfram xen kẽ với các lớp nhũ tương. Trong các vụ va chạm hạt trong LHC, một số hạt neutrino sinh ra đập vào lõi kim loại dày đặc, tạo ra các hạt di chuyển qua các lớp của nhũ tương và tạo ra các vết có thể nhìn thấy được sau khi xử lý. Những chữ khắc này cung cấp manh mối về năng lượng và hương vị của hạt – tau, muon hay electron – và liệu chúng là neutrino hay phản neutrino.

Theo Feng, nhũ tương hoạt động theo cách tương tự như nhiếp ảnh trong thời kỳ tiền máy ảnh kỹ thuật số. Khi phim 35 mm tiếp xúc với ánh sáng, các photon để lại các đường mòn xuất hiện như các mẫu khi phim được phát triển. Các nhà nghiên cứu FASER cũng có thể nhìn thấy các tương tác neutrino sau khi các lớp nhũ tương trong máy dò được loại bỏ và phát triển.

Sau khi xác minh tính hiệu quả của phương pháp tiếp cận máy dò nhũ tương trong việc quan sát tương tác của các hạt neutrino được tạo ra tại một máy va chạm hạtNhóm FASER hiện đang thiết lập một loạt thí nghiệm mới bằng cách sử dụng một công cụ hoàn chỉnh lớn hơn và nhạy hơn đáng kể, ”Feng nói.

Kể từ năm 2019, ông và các đồng nghiệp của mình đã chuẩn bị thực hiện một thí nghiệm bằng cách sử dụng các thiết bị FASER để kiểm tra vật chất tối của LHC. Họ hy vọng sẽ phát hiện ra các photon tối, điều này sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu cái nhìn ban đầu về cách điều này có thể xảy ra. vật chất tối Nó tương tác với các nguyên tử thông thường và các vật chất khác trong vũ trụ thông qua các lực khác ngoài lực hấp dẫn.

Với thành công của nghiên cứu về neutrino trong vài năm qua, nhóm FASER – gồm 76 nhà vật lý từ 21 viện ở chín quốc gia – đã tập hợp lại với nhau nhũ tương Máy dò bằng thiết bị FASER. Trong khi máy dò thí nghiệm nặng khoảng 64 pound, thiết bị FASERnu sẽ nặng hơn 2.400 pound, và sẽ phản ứng mạnh hơn và có thể phân biệt giữa các loại neutrino.

đồng tác giả David Kasper, đồng dự án lãnh đạo FASER và là phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại UCI cho biết. “Chúng ta sẽ khám phá ra các hạt neutrino có năng lượng cao nhất được tạo ra từ một nguồn nhân tạo.”

Ông nói, điều khiến FASERnu trở nên độc đáo là trong khi các thí nghiệm khác có thể phân biệt giữa một hoặc hai loại neutrino, họ sẽ có thể quan sát cả ba hương vị cũng như các đối trọng phản neutrino của chúng. Casper cho biết chỉ có khoảng 10 lần quan sát được neutrino tau trong toàn bộ lịch sử loài người, nhưng anh hy vọng nhóm của mình sẽ có thể tăng gấp đôi hoặc gấp ba con số đó trong vòng ba năm tới.

Feng cho biết: “Đây là một mối liên hệ cực kỳ hấp dẫn với truyền thống trong khoa vật lý tại UCI, bởi vì nó tiếp nối di sản của Frederic Reines, một giảng viên sáng lập tại UCI, người đã giành được giải Nobel Vật lý vì là người đầu tiên phát hiện neutrino. “

Casper cho biết: “Chúng tôi đã thực hiện một thí nghiệm đẳng cấp thế giới trong phòng thí nghiệm vật lý hạt hàng đầu thế giới trong thời gian kỷ lục và với những nguồn lực rất độc đáo,” Casper nói. “Chúng tôi mang một món nợ rất lớn về lòng biết ơn đối với Quỹ Heising-Simons và Quỹ Simons, cũng như Hiệp hội Xúc tiến Khoa học Nhật Bản và CERN, những người đã hào phóng hỗ trợ chúng tôi.”

Savannah Shivley và Jason Arakawa, Tiến sĩ từ UCLA. Các sinh viên vật lý và thiên văn học, cũng đóng góp vào nghiên cứu.