Neutrini su sitne i neutralno naelektrisane čestice koje su obuhvaćene Standardnim modelom fizike čestica. Iako se procenjuje da su neke od najzastupljenijih čestica u univerzumu, njihovo posmatranje se do sada pokazalo velikim izazovom, jer je verovatnoća da će stupiti u interakciju sa drugom materijom mala.
Da bi otkrili ove čestice, fizičari su koristili detektore i naprednu opremu za ispitivanje poznatih izvora neutrina. Njihovi napori su na kraju doveli do posmatranja neutrina koji potiču od sunca, kosmičkih zraka, supernova i drugih kosmičkih objekata, kao i akceleratora čestica i nuklearnih reaktora.
Dugogodišnji cilj u ovoj oblasti proučavanja bio je posmatranje neutrina unutar sudarača, akceleratora čestica u kojima se dva snopa čestica sudaraju jedan sa drugim. Dve velike istraživačke saradnje, naime FASER (Forvard Search Ekperiment) i SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, su po prvi put posmatrale ove neutrine sudarača, koristeći detektore koji se nalaze na CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču (LHC) u Švajcarskoj. Rezultati njihove dve studije su nedavno objavljeni u Phisical Reviev Letters.
„Neutrini se proizvode veoma obilno u protonskim sudaračima kao što je LHC“, rekao je Kristovao Vilela, deo SND@LHC Collaboration, za Phis.org. „Međutim, do sada, ovi neutrini nikada nisu bili direktno posmatrani. Veoma slaba interakcija neutrina sa drugim česticama čini njihovo otkrivanje veoma izazovnim i zbog toga su one najmanje proučene čestice u Standardnom modelu fizike čestica.“
Saradnja FASER i SND@LHC su dva različita istraživačka napora, oba koriste LHC u CERN-u. Nedavno su ova dva pokušaja nezavisno posmatrala prve neutrine sudarača, što bi moglo otvoriti važne nove puteve za eksperimentalna istraživanja fizike čestica.
FASER saradnja je veliki istraživački napor osnovan sa ciljem posmatranja lakih i slabo interakcijskih čestica. FASER je bila prva istraživačka grupa koja je posmatrala neutrine na LHC-u, koristeći FASER detektor, koji je pozicioniran na više od 400 metara od poznatog eksperimenta ATLAS, u posebnom tunelu. FASER (i SND@LHC) posmatraju neutrine proizvedene u istom „regionu interakcije“ unutar LHC-a kao i ATLAS.
„Sudarači čestica postoje više od 50 godina i otkrili su sve poznate čestice osim neutrina“, rekao je za Phis.org Džonatan Li Feng, ko-portparol FASER kolaboracije. „Istovremeno, svaki put kada su neutrini otkriveni iz novog izvora, bilo da je u pitanju nuklearni reaktor, sunce, Zemlja ili supernove, naučili smo nešto izuzetno važno o univerzumu. Kao deo našeg nedavnog rada, krenuli smo u otkrivanje neutrina proizvedenih u sudaraču čestica po prvi put.“
FASER saradnja je posmatrala neutrine sudarača tako što je njihov detektor postavio duž linije snopa, prateći njihove putanje. Poznato je da se neutrini visoke energije pretežno proizvode na ovom mestu, ali drugi detektori na LHC-u imaju slepe tačke u ovom pravcu i stoga nisu mogli da ih posmatraju u prošlosti.
„Pošto ovi neutrini imaju velike fluksove i visoke energije, što ih čini daleko verovatnijim za interakciju, uspeli smo da otkrijemo njih 153 sa veoma malim, jeftinim detektorom koji je napravljen za veoma kratko vreme“, objasnio je Feng. „Ranije se smatralo da je fizika čestica podeljena na dva dela: eksperimente visoke energije, koji su bili potrebni za proučavanje teških čestica, poput vrhunskih kvarkova i Higsovih bozona, i eksperimente visokog intenziteta, koji su bili potrebni za proučavanje neutrina. Ovaj rad je pokazao da Eksperimenti visoke energije takođe mogu proučavati neutrine, i tako su spojili granice visoke energije i visokog intenziteta.“
Neutrini koje je otkrio Feng i ostatak FASER saradnje imaju najveću energiju ikada zabeleženu u laboratorijskom okruženju. Na taj način bi mogli utrti put za dubinska proučavanja svojstava neutrina, kao i za potragu za drugim neuhvatljivim česticama.
Ubrzo nakon što je FASER izvestio o prvom posmatranju neutrina kolajdera, saradnja SND@LHC je završila svoju analizu, sa osam dodatnih događaja u LHC-u koji uključuju neutrine. Eksperiment SND@LHC je posebno uspostavljen za otkrivanje neutrina, koristeći detektor dužine dva metra, strateški postavljen na mestu u LHC-u gde je tok neutrina visok, ali zaštićen od otpada od sudara protona sa otprilike 100 metara betona i rok.
„Čak i sa svojim strateškim pozicioniranjem, mioni najveće energije proizvedeni u sudarima stižu do našeg detektora brzinom desetinama miliona puta većom od interakcije neutrina“, objasnio je Vilela. „Ovi mioni generišu neutralne hadrone u svojim interakcijama sa materijalom koji okružuje naš eksperiment, koji zauzvrat proizvode signale u detektoru koji su slični onima kod neutrina. Prevazilaženje ove pozadine bio je najveći izazov u analizi, koja je koristila karakteristični obrazac mionske staze povezane sa hadronskim tušem i bez naelektrisanih čestica koje ulaze u detektor da bi se identifikovale interakcije neutrina.“
Kao deo njihove nedavne studije, saradnja SND@LHC analizirala je podatke koje je njihov detektor prikupio između jula i novembra 2022, što je bio njegov prvi ciklus rada. Utvrđeno je da je ovo prvo prikupljanje podataka bilo veoma uspešno, pošto je tim na kraju zabeležio 95% podataka o sudarima koji su im dostavljeni i na kraju posmatrao neutrin događaje sudarača.
„Posmatranje neutrina sudarača otvara vrata novim merenjima koja će nam pomoći da razumemo neke od fundamentalnijih zagonetki Standardnog modela fizike čestica, kao što je zašto postoje tri generacije čestica materije (fermioni) koje izgledaju kao tačne kopije. jedni od drugih u svim aspektima osim njihove mase“, rekao je Vilela. „Dalje, naš detektor je postavljen na lokaciju koja je slepa tačka za veće LHC eksperimente. Zbog toga će naša merenja takođe doprineti boljem razumevanju strukture sudarajućih protona.“
Ove nedavne studije saradnje FASER i SND@LHC značajno doprinose tekućim eksperimentalnim istraživanjima fizike čestica i uskoro bi mogle utrti put za dalji napredak u ovoj oblasti. Sada kada je potvrđeno prisustvo neutrina na LHC-u, ova dva eksperimenta će nastaviti sa prikupljanjem podataka, potencijalno dovodeći do značajnijih zapažanja.
„Detektor FASER ćemo koristiti još mnogo godina i očekujemo da ćemo prikupiti najmanje 10 puta više podataka“, dodao je Feng. „Posebno uzbudljiva činjenica je da je ovo početno otkriće koristilo samo deo detektora. U narednim godinama, moći ćemo da koristimo punu snagu FASER-a za mapiranje ovih interakcija neutrina visoke energije u izuzetnim detaljima. Pored toga, mi smo radeći na Forvard Phisics Faciliti, predlog za izgradnju nove podzemne pećine na LHC-u, koja će nam omogućiti da otkrijemo milione visokoenergetskih neutrina, kao i da tražimo mili-nabijene čestice i druge fenomene povezane sa tamnom materijom.“
