"Призрачни частици": Учените най-накрая откриха неутрино в колайдера на частици

З а първи път учените създадоха неутрино в колайдер на частици. Тези изобилни, но загадъчни субатомни частици са толкова отдалечени от останалата материя, че се плъзгат през нея като призраци, което им е спечелило прозвището "частици-призраци".

Изследователите казват, че тази работа представлява първото пряко наблюдение на неутрино в колайдера и ще ни помогне да разберем как се образуват тези частици, какви са техните свойства и ролята им в еволюцията на Вселената.

Резултатите, постигнати с помощта на детектора FASERnu в Големия адронен колайдер, бяха представени на 57-ата конференция Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories в Италия.

"Открихме неутрино от съвсем нов източник - колайдера на частици - където два снопа частици се разбиват при изключително висока енергия", казва физикът на частици Джонатан Фенг от Калифорнийския университет в Ървайн.

New #LHC experiments enter uncharted territory.

The first observation of collider neutrinos by @FASERexperiment and SND@LHC paves the way for exploring new #physics scenarios.

Find out more: https://t.co/ovv0nMquKr pic.twitter.com/BskvR0eYLB

— CERN (@CERN) March 22, 2023

Неутриното е сред най-разпространените субатомни частици във Вселената, отстъпвайки само на фотоните. Но те нямат електрически заряд, масата им е почти нулева и почти не взаимодействат с други частици, които срещат. Стотици милиарди неутрино преминават през тялото ви точно сега.

Следите от частици, получени от кандидат-събитие, съответстващо на производството на електронно неутрино. Неутрино се произвежда при енергийни обстоятелства, като например ядрения синтез, който се извършва в звездите, или при експлозиите на свръхнови. И макар да не ги забелязваме в ежедневието, физиците смятат, че тяхната маса - колкото и малка да е тя - вероятно влияе върху гравитацията на Вселената (въпреки че неутриното е почти изключено като тъмна материя).

Макар че взаимодействието им с материята е слабо, то не е напълно несъществуващо; от време на време космическо неутрино се сблъсква с друга частица, при което се получава много слаб изблик на светлина.

Неутриното, произведено в колайдерите на частици, обаче отдавна е търсено от физиците, тъй като високите енергии, с които е произведено, не са толкова добре проучени, колкото неутриното с ниска енергия.

"Те могат да ни разкажат за дълбокия космос по начин, който не можем да научим по друг начин", казва физикът на елементарните частици Джейми Бойд от ЦЕРН. "Тези много високоенергийни неутрино в LHC са важни за разбирането на наистина вълнуващи наблюдения в астрофизиката на елементарните частици."

FASERnu е емулсионен детектор, състоящ се от волфрамови пластини с милиметрова дебелина, редуващи се със слоеве от емулсионен филм. Волфрамът е избран поради високата си плътност, която увеличава вероятността за взаимодействие с неутрино; детекторът се състои от 730 емулсионни филма и обща маса на волфрама от около 1 тон.

По време на експериментите с частици в LHC неутриното може да се сблъска с ядрата в волфрамовите пластини, като се образуват частици, които оставят следи в емулсионните слоеве, малко подобно на начина, по който йонизиращото лъчение прави следи в облачна камера.

Преди физиците да анализират следите от частици, за да разберат какво ги е породило, тези плочи трябва да бъдат проявени, подобно на фотографски филм.

BREAKING: In a major scientific first, physicists in California have reported the detection of neutrinos in a particle collider, marking a breakthrough development that could help reveal more about one of the universe's greatest mysteries: dark matter. https://t.co/PyifuO6H6d

— The Debrief (@Debriefmedia) March 21, 2023

Шест кандидати за неутрино бяха идентифицирани и публикувани още през 2021 г. Сега изследователите потвърдиха откритието си, използвайки данни от третия пробег на модернизирания LHC, който започна миналата година, с ниво на значимост 16 сигма.

Това означава, че вероятността сигналите да са получени случайно е толкова малка, че е почти никаква; ниво на значимост от 5 сигма е достатъчно, за да се квалифицира като откритие във физиката на елементарните частици.

Екипът на FASER все още работи усилено по анализа на данните, събрани от детектора, и изглежда вероятно да бъдат открити още много неутрино. Очаква се третата серия на LHC да продължи до 2026 г., а събирането и анализът на данни продължават.

Още през 2021 г. физикът Дейвид Каспър от Калифорнийския университет в Ървайн прогнозира, че пробегът ще доведе до около 10 000 неутрино взаимодействия, което означава, че едва сме надраскали повърхността на това, което може да предложи FASERnu.

"Неутриното е единствената известна частица, която много по-големите експерименти в Големия адронен колайдер не могат да открият директно", казва той, "така че успешното наблюдение на FASER означава, че най-накрая се използва пълният физичен потенциал на колайдера."