Abstrakter Eindruck eines Teilchenbeschleunigers. (akinshin/iStock/Getty Images Plus) Am Large Hadron Collider (LHC) wurde gerade ein wichtiger Meilenstein in der Teilchenphysik erreicht.
Zum ersten Mal, Kandidat Neutrinos wurden nicht nur am LHC, sondern auch in entdeckt beliebig Teilchenbeschleuniger.
Die sechs Neutrino Wechselwirkungen, die mit dem Neutrino-Subdetektor FASERnu nachgewiesen wurden, demonstrieren nicht nur die Machbarkeit der Technologie, sie eröffnen auch einen neuen Weg zur Untersuchung dieser mysteriösen Teilchen, insbesondere bei hohen Energien.
„Vor diesem Projekt wurden noch nie Anzeichen von Neutrinos an einem Teilchenbeschleuniger gesehen.“ sagte der Physiker Jonathan Feng von der University of California Irvine, Co-Leiter der FASER Collaboration.
„Dieser bedeutende Durchbruch ist ein Schritt hin zur Entwicklung eines tieferen Verständnisses dieser schwer fassbaren Teilchen und der Rolle, die sie im Universum spielen.“
Neutrinos gibt es eigentlich überall. Sie sind eines der am häufigsten vorkommenden subatomaren Teilchen im Universum; Sie tragen jedoch keine Ladung und haben nahezu keine Masse. Obwohl sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Universum strömen, interagieren sie kaum mit ihm. Milliarden dieser Dinge strömen gerade durch dich hindurch. Für ein Neutrino ist der Rest des Universums im Grunde körperlos; deshalb werden sie auch Geisterteilchen genannt.
Obwohl sie selten interagieren, ist das nicht dasselbe wie nie. Detektoren wie z Eiswürfel in der Antarktis, Super-Kamiokande in Japan und MiniBooNE am Fermilab in Illinois verwenden empfindliche Fotodetektor-Arrays, die die Lichtschauer auffangen sollen, die beispielsweise entstehen, wenn ein Neutrino mit anderen Teilchen in einer völlig dunklen Umgebung interagiert.
Doch seit langem wollen Wissenschaftler auch Neutrinos untersuchen, die an Teilchenbeschleunigern entstehen. Das liegt daran, dass Collider-Neutrinos, die hauptsächlich beim Zerfall von Hadronen entstehen, bei sehr hohen Energien erzeugt werden, die noch nicht sehr gut untersucht sind. Der Nachweis von Collider-Neutrinos ermöglicht den Zugang zu Neutrinoenergien und -typen, die anderswo selten zu finden sind.
FASERnu ist das sogenannte Emulsionsdetektor . Blei- und Wolframplatten wechseln sich mit Emulsionsschichten ab: Bei Teilchenexperimenten am LHC können Neutrinos mit Kernen in den Blei- und Wolframplatten kollidieren und dabei Partikel erzeugen, die Spuren in den Emulsionsschichten hinterlassen, ähnlich wie ionisierende Strahlung Spuren hinterlässt A Nebelkammer .
Die Platten müssen wie ein Fotofilm entwickelt werden. Anschließend können Physiker die Teilchenspuren analysieren, um herauszufinden, wodurch sie entstanden sind. ob es sich um ein Neutrino handelte und welchen „Geschmack“ oder Typ das Neutrino hatte. Es gibt drei Neutrino-Varianten – Elektron, Myon und Tau – sowie ihre Antineutrino-Gegenstücke.
Im FASERnu-Pilotlauf im Jahr 2018 wurden sechs mögliche Neutrino-Wechselwirkungen in den Emulsionsschichten aufgezeichnet. Das scheint vielleicht nicht viel zu sein, wenn man bedenkt, wie viele Teilchen bei einem Lauf am LHC erzeugt werden, aber es lieferte der Zusammenarbeit zwei wichtige Informationen.
„Zuerst wurde bestätigt, dass die Position vor dem ATLAS-Wechselwirkungspunkt am LHC der richtige Ort für die Erkennung von Collider-Neutrinos ist.“ Sagte Feng . „Zweitens haben unsere Bemühungen die Wirksamkeit der Verwendung eines Emulsionsdetektors zur Beobachtung dieser Art von Neutrino-Wechselwirkungen gezeigt.“
Der Pilotdetektor war mit etwa 29 Kilogramm (64 Pfund) ein relativ kleines Gerät. Das Team arbeitet derzeit an der Vollversion, rund 1.100 Kilogramm (über 2.400 Pfund). Dieses Instrument wird deutlich empfindlicher sein und es den Forschern ermöglichen, zwischen Neutrino-Flavours und ihren Antineutrino-Gegenstücken zu unterscheiden.
Sie gehen davon aus, dass der dritte Beobachtungslauf des Large Hadron Collider 200 Milliarden Elektron-Neutrinos, 6 Billionen Myon-Neutrinos und 9 Milliarden Tau-Neutrinos sowie deren Antineutrinos produzieren wird. Da wir bisher insgesamt nur etwa 10 Tau-Neutrinos entdeckt haben, wird das eine ziemlich große Sache sein.
Die Zusammenarbeit hat auch noch mehr schwer fassbare Beute im Visier. Sie hoffen auf eine Entdeckung dunkle Photonen , die im Moment hypothetisch sind, aber helfen könnten, die Natur davon aufzudecken Dunkle Materie , die mysteriöse, direkt nicht nachweisbare Masse, die den größten Teil der Materie im Universum ausmacht.
Aber allein die Neutrino-Detektionen sind ein enorm spannender Fortschritt für unser Verständnis der grundlegenden Komponenten des Universums.
„Angesichts der Leistung unseres neuen Detektors und seines erstklassigen Standorts am CERN gehen wir davon aus, dass wir im nächsten Lauf des LHC ab 2022 mehr als 10.000 Neutrino-Wechselwirkungen aufzeichnen können.“ sagte der Physiker und Astronom David Casper von der University of California, Irvine, Co-Leiter des FASER-Projekts.
„Wir werden die Neutrinos mit der höchsten Energie nachweisen, die jemals aus einer von Menschenhand geschaffenen Quelle erzeugt wurden.“
Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Körperliche Untersuchung D .