Por primera vez, los físicos han descubierto signos de neutrinos en el Gran Colisionador de Hadrones.

El primer avance científico de la próxima campaña de investigación de 3 años en el CERN.

Un equipo internacional de experimentos de búsqueda avanzada dirigido por físicos de la Universidad de California, Irvine, ha descubierto los primeros candidatos a neutrinos producidos en el Gran Colisionador de Hadrones. JERN Establecimiento cerca de Ginebra, Suiza.

En un artículo publicado en la revista el 24 de noviembre de 2021. Descripción física D:Los investigadores describen cómo observaron seis interacciones de neutrinos durante el trabajo experimental de un detector de emulsión compacto instalado en el LHC en 2018.

«Antes de este proyecto, nunca había señales de neutrinos en el caso de una colisión de partículas», dijo Jonathan Feng, coautor del Profesor Honorario de Física y Astronomía de la UCI y coautor de FASER. «Este paso significativo es un paso hacia el desarrollo de una comprensión más profunda del papel de estas partículas evasivas en el espacio».

Dijo que el descubrimiento realizado por el piloto proporcionó a su equipo dos importantes piezas de información.

El detector de partículas FASER, que recibió la aprobación del CERN para su instalación en el Gran Colisionador de Hadrones en 2019, ha sido equipado recientemente con un detector de neutrinos. El equipo FASER dirigido por la UCI utilizó el mismo detector más pequeño del mismo tipo en 2018 para hacer las primeras observaciones de partículas evasivas en la colisión. Los investigadores dicen que la nueva herramienta podrá detectar miles de interacciones de neutrinos durante los próximos tres años. Préstamo Foto del CERN

«Primero, verificó que la posición frente al punto de interacción ATLAS en el LHC era el lugar correcto para detectar neutrinos en colisión», dijo Feng. «En segundo lugar, nuestros esfuerzos han demostrado la eficacia de utilizar un detector de emulsión para controlar este tipo de interacciones de neutrinos».

La herramienta piloto consistió en láminas de plomo tungsteno, que fueron reemplazadas por tiras de emulsión. En los LHC, algunos de los neutrones producidos por colisiones de partículas rompen núcleos metálicos densos, creando partículas que pasan a través de las capas de emulsión, creando trazas que son visibles después del procesamiento. Estos grabados dan indicios de la energía de las partículas, sus sabores: tau, muón o electrón, neutrino o antineutrino.

Según Feng, la emulsión funciona como la fotografía en la era pre-digital. Cuando la película de 35 mm se expone a la luz, los fotones dejan rastros que se revelan como patrones a medida que se procesa la película. Los investigadores de FASER también pudieron ver la interacción de neutrinos después de eliminar y desarrollar las capas de emulsión del detector.

«Confirmando la efectividad del enfoque del detector de emulsión para monitorear las interacciones de los neutrinos producidos en una dispersión de partículas, el equipo de FASER ahora está preparando un nuevo conjunto de experimentos con un instrumento mucho más grande y sensible», dijo Feng.

El experimento FASER se encuentra a 480 metros del punto de interacción ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones. Según Jonathan Feng, profesor de física y astronomía de la UCI, copresidente de la Asociación FASER, este es un buen lugar para detectar neutrinos que son causados ​​por la colisión de partículas en un objeto. Préstamo Foto del CERN

A partir de 2019, él y sus colegas experimentarán con herramientas FASER para estudiar la materia oscura en el LHC. Esperan encontrar fotones oscuros que den a los investigadores una idea de cómo la materia oscura interactúa con los átomos normales y otros materiales del universo a través de fuerzas no gravitacionales.

Con el éxito de su trabajo con neutrinos en los últimos años, el equipo FASER, que consta de 76 físicos de 21 instituciones en 9 países, está combinando un nuevo detector de emulsión con un dispositivo FASER. Si bien el detector experimental pesaba alrededor de 64 libras, el instrumento FASERnu pesaría más de 2,400 libras, «sería mucho más reactivo, podría distinguir entre variedades de neutrinos».

«Dado el poder de nuestro nuevo detector, su posición de liderazgo en el CERN, esperamos poder registrar más de 10,000 interacciones de neutrinos durante el próximo lanzamiento del LHC, que comenzará en 2022», dijo el coautor David Casper, organizador del proyecto FASER. .: – Profesor Titular Asociado de Física y Astronomía en la UCI. «Descubriremos los neutrinos de mayor energía jamás producidos a partir de una fuente artificial».

Según él, FASERnu hace que sea único el hecho de que, si bien otros experimentos han podido distinguir uno o dos tipos de neutrinos, podrá observar los tres sabores, además de sus antineutrinos. Casper dijo que solo ha habido alrededor de 10 observaciones de neutrinos Tau en la historia de la humanidad, pero espera que su equipo pueda duplicar o triplicar ese número en los próximos tres años.

«Esta es una conexión increíblemente buena con la tradición del Departamento de Física de la UCI», dijo Feng, «ya que continúa con el legado de Frederick Raines, el miembro fundador de la facultad de la UCI que recibió el Premio Nobel de Física por su existencia. . » el primero en descubrir neutrinos «.

«En un tiempo récord, realizamos un experimento de clase mundial con muchas fuentes no tradicionales en el laboratorio de física de partículas líder en el mundo», dijo Casper. «Tenemos una enorme deuda de gratitud con la Fundación Heising-Simons, la Fundación Simons, así como con la Asociación de Promoción Científica de Japón y el CERN, por su generoso apoyo hacia nosotros».

Referencia. «Los primeros candidatos para la interacción de neutrinos en el LHC» por Henso Abreu և et al. (Cooperación FASER), 24 de noviembre de 2021, Descripción física D:.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.L091101:

Savannah Shivell և Jason Arakavan, UCI Ph.D. Los estudiantes de física y astronomía también contribuyeron al artículo.