Физики впервые обнаружили «частицы-призраки» на Большом адронном коллайдере

Международная группа физиков только что завершила первое обнаружение нейтрино-кандидатов, произведенных на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа (LHC). В статье, опубликованной в журнале Physical Review D, исследователи описывают, как они наблюдали шесть взаимодействий в пилотном исследовании, проведенном в 2018 году.

Призрачные частицы

Нейтрино — это элементарные частицы в 100 000 раз меньше электрона, обладающие практически нулевой массой. Образуясь в звездах, сверхновых или квазарах, они редко взаимодействуют с веществом, что затрудняет их обнаружение. По этой причине нейтрино часто называют «частицами-призраками». Тем не менее их очень много. Не забывайте, что каждую секунду через ваше тело проходят миллиарды из них.

В последние годы ученые разработали ряд установок, которые могут фиксировать следы их прохождения. Эти структуры, сверхчувствительные детекторы света, называемые фотоумножителями, обычно погружаются в чистую воду. Идея состоит в том, чтобы обнаружить слабые вспышки света (черенковский свет), испускаемые при столкновении нейтрино с атомом в воде.

Возглавляемый американцами и погребенный во льдах Антарктиды вблизи станции «Южный полюс», IceCube в настоящее время является крупнейшим нейтринным детектором в мире. Кроме того, такие есть также в Японии и на дне озера Байкал в России.

Долгое время считалось, что ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) в пограничном районе между Францией и Швейцарией, могут производить нейтрино и затем обнаруживать их, но для этого необходимы соответствующие приборы. В настоящее время это достигнуто.

В ходе пилотного испытания эксперимента под названием FASER, установленного в 2018 году, ученые обнаружили шесть нейтринных взаимодействий.

«До этого проекта никаких признаков нейтрино никогда не наблюдалось на коллайдере частиц«, — подтверждает Джонатан Фенг, соавтор исследования, описывающего полученные результаты. «Этот значительный прорыв — шаг на пути к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной«.

Расположенный в 480 метрах ниже по потоку от места столкновения частиц, прибор FASER состоит из пластин из свинца и вольфрама, разделенных слоями эмульсии. Некоторые из нейтрино затем ударяют по ядрам атомов в этих металлах, высвобождая другие частицы, когда они проходят через эти слои и оставляют видимые следы. Недавно было замечено шесть таких следов.

Опираясь на этот успех, команда FASER, состоящая из 76 физиков из 21 института в девяти странах, готовит новую серию экспериментов с гораздо более крупным и чувствительным прибором под названием FASERnu. Его вес составит более 1 090 кг, в то время как вес пилотного прибора составляет всего 29 кг. Повышенная чувствительность позволит ему обнаруживать больше нейтрино и чаще.

«Учитывая мощность нашего нового детектора и его привилегированное расположение в ЦЕРНе, мы надеемся, что сможем зарегистрировать более 10 000 нейтринных взаимодействий в следующем цикле БАК, который начнется в 2022 году», — говорит Дэвид Каспер, соавтор исследования. «Мы обнаружим нейтрино с наибольшей энергией, которые когда-либо производились из искусственного источника«.

В конечном итоге понимание этих «частиц-призраков» может дать ответы на некоторые великие загадки физики, например, почему Вселенная состоит исключительно из материи, а не из антиматерии.