Verksamma vid CERNs Large Hadron Collider (LHC) sedan 2022, är FASER-experimentet utformat för att söka efter extremt svagt interagerande partiklar. Sådana partiklar förutsägs av många teorier bortom standardmodellen som försöker lösa utestående problem inom fysiken, såsom mörk materias natur och obalansen mellan materia och antimateria i universum.
Ett annat mål med experimentet är att studera interaktioner mellan högenergineutriner som produceras i LHC-kollisioner, partiklar som är nästan omöjliga att upptäcka i de fyra stora LHC-experimenten. Förra veckan, vid den årliga Rencontres de Moriond-konferensen, presenterade FASER-samarbetet ett mått på interaktionsstyrkan, eller "tvärsnittet" av elektronneutriner (νe ) och myonneutriner (νμ ).
Det är första gången en sådan mätning har gjorts vid en partikelkolliderare. Mätningar av det här slaget kan ge viktiga insikter över olika aspekter av fysiken, från att förstå produktionen av "framåtgående" partiklar i LHC-kollisioner och förbättra vår förståelse av protonens struktur till att tolka mätningar av högenergineutriner från astrofysiska källor utförda av neutrinoteleskopexperiment.
FASER ligger i en sidotunnel till LHC-acceleratorn, 480 meter från ATLAS-detektorns kollisionspunkt. På den platsen är LHC-strålen redan nästan 10 meter bort och böjer sig bort på sin cirkulära 27 kilometer långa bana. Detta är en unik plats för att studera svagt interagerande partiklar som produceras i LHC-kollisioner.
Laddade partiklar som produceras i kollisionerna avleds av LHC-magneterna. De flesta neutrala partiklar stoppas av de hundratals meter berg mellan FASER och ATLAS. Endast mycket svagt interagerande neutrala partiklar som neutriner förväntas fortsätta rakt fram och nå platsen där detektorn är installerad.
Sannolikheten för att en neutrino interagerar med materia är mycket liten, men inte noll. Den typ av interaktion som FASER är känslig för är där en neutrino interagerar med en proton eller en neutron inuti detektorn. I denna interaktion omvandlas neutrinon till en laddad "lepton" av samma familj - en elektron i fallet med en νe , och en myon i fallet med en νμ — som syns i detektorn. Om neutrinons energi är hög produceras även flera andra partiklar i kollisionen.
Detektorn som används för att utföra mätningen består av 730 interfolierade volframplattor och fotografiska emulsionsplattor. Emulsionen exponerades under perioden 26 juli till 13 september 2022 och utvecklades sedan kemiskt och analyserades i jakt på laddade partikelspår.
Kandidater för neutrinointeraktioner identifierades genom att leta efter kluster av spår som kunde spåras tillbaka till en enda vertex. Ett av dessa spår måste sedan identifieras som en högenergielektron eller myon.
Totalt fyra kandidater till en νe interaktion och åtta kandidater för en νμ interaktion har hittats. De fyra νe kandidater representerar den första direkta observationen av elektronneutriner som produceras vid en kolliderare. Observationerna kan tolkas som mätningar av neutrinointeraktionstvärsnitt, vilket ger (1,2 +0,9 −0.8 ) ×10 −38 cm 2 GeV −1 i fallet med νe och (0,5 ± 0,2) × 10 −38 cm 2 GeV −1 i fallet med νμ .
Neutrinernas energier visade sig ligga i ett intervall mellan 500 och 1700 GeV. Ingen mätning av neutrinointeraktionens tvärsnitt hade tidigare gjorts vid energier över 300 GeV i fallet med νe och mellan 400 GeV och 6 TeV i fallet med νμ .
Resultaten erhållna av FASER, publicerade på arXiv preprint-server, överensstämmer med förväntningarna och visar förmågan hos FASER att göra neutrinotvärsnittsmätningar vid LHC. Med hela LHC Run 3-data kommer 200 gånger fler neutrinohändelser att upptäckas, vilket möjliggör mycket mer exakta mätningar.
Mer information: Första mätningen av ve och νμ Interaktionstvärsnitt vid LHC med FASERs emulsionsdetektor, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.12520
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av CERN
