Dạy trước tại Cơ sở CERN Xem trước cho chiến dịch nghiên cứu 3 năm sắp tới.

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 ứng viên neutrino được tạo ra bởi Máy va chạm Hadron Lớn tại CERN Cơ sở gần Geneva, Thụy Sĩ.

Trong một bài báo nghiên cứu đăng trên tạp chí ngày 24 tháng 11 năm 2021 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.

Máy dò hạt FASER được CERN phê duyệt sẽ được lắp đặt tại Máy va chạm Hadron Lớn vào năm 2019 gần đây đã được cải tiến với máy dò hạt neutrino. Nhóm nghiên cứu FASER do UCI dẫn đầu đã sử dụng một máy dò nhỏ hơn cùng loại vào năm 2018 để thực hiện những quan sát đầu tiên về các hạt khó nắm bắt được tạo ra tại máy va chạm. Các nhà nghiên cứu cho biết công cụ mới sẽ có thể phát hiện hàng nghìn tương tác neutrino trong vòng ba năm tới. Nguồn ảnh: CERN

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 đã làm cho các lõi kim loại dày đặc bị vỡ ra, 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.

Feng cho biết: “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 tạo ra bởi máy va chạm hạt, nhóm FASER đang thiết lập một loạt thí nghiệm với một công cụ hoàn chỉnh lớn hơn và nhạy hơn đáng kể. .

Thí nghiệm FASER nằm cách điểm tương tác của Atlas tại Máy va chạm Hadron Lớn 480 mét. Theo Jonathan Feng, Giáo sư Vật lý và Thiên văn học xuất sắc của UCI và là đồng lãnh đạo của sự hợp tác FASER, đây là một địa điểm tốt để phát hiện neutrino từ các vụ va chạm hạt tại cơ sở này. Nguồn ảnh: CERN

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 vật chất tối tương tác với các nguyên tử tự nhiên và các vật chất khác trong vũ trụ thông qua các lực khác ngoài lực hấp dẫn.

Với thành công của công trình nghiên cứu neutrino của họ trong vài năm qua, nhóm FASER – gồm 76 nhà vật lý từ 21 viện ở 9 quốc gia – đang kết hợp một máy dò nhũ tương mới với 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 vô cùng hấp dẫn với truyền thống trong khoa vật lý tại UCI,” khi nó tiếp nối di sản của Frederick Raines, một giảng viên sáng lập tại UCI, người đã giành giải Nobel Vật lý vì là người đầu tiên phát hiện ra neutrino. “

Casper nói: “Chúng tôi đã thực hiện một thí nghiệm tầm cỡ thế giới tại phòng thí nghiệm vật lý hạt hàng đầu thế giới trong thời gian kỷ lục và với những nguồn lực rất độc đáo. “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.”

Tham khảo: “Các ứng cử viên đầu tiên cho tương tác neutrino trong LHC” của Henso Abreu et al. (FASER Collaboration), ngày 24 tháng 11 năm 2021, có sẵn tại đây. đánh giá thể chất d.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.L091101

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