Duch wreszcie jest w maszynie: po raz pierwszy naukowcy stworzyli neutrina w zderzaczu cząstek.

Te liczne, ale enigmatyczne cząstki subatomowe są tak oddalone od reszty materii, że przesuwają się przez nią jak widma, zyskując przydomek „cząsteczek duchów”.

Naukowcy twierdzą, że ta praca stanowi pierwszą bezpośrednią obserwację neutrin zderzających i pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób powstają te cząstki, jakie są ich właściwości i jaką rolę odgrywają w ewolucji Wszechświata.

Wyniki uzyskane za pomocą detektora FASERnu w Wielkim Zderzaczu Hadronów zostały zaprezentowane na 57. konferencji Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories we Włoszech.

„Odkryliśmy neutrina z zupełnie nowego źródła – zderzaczy cząstek – gdzie dwie wiązki cząstek zderzają się ze sobą z ekstremalnie wysoką energią” – mówi fizyk cząstek elementarnych Jonathan Feng z University of California Irvine.

Neutrina należą do najbardziej rozpowszechnionych cząstek subatomowych we Wszechświecie, ustępując jedynie fotonom. Ale nie mają ładunku elektrycznego, ich masa jest prawie zerowa i prawie nie wchodzą w interakcje z innymi cząstkami, które napotykają. Setki miliardów neutrin przepływają teraz przez twoje ciało.

Neutrina powstają w warunkach energetycznych, takich jak fuzja jądrowa zachodząca wewnątrz gwiazd lub wybuchy supernowych. I chociaż możemy ich nie zauważać na co dzień, fizycy uważają, że ich masa – jakkolwiek niewielka – prawdopodobnie wpływa na grawitację Wszechświata (chociaż neutrina zostały prawie wykluczone jako ciemna materia).

Chociaż ich interakcja z materią jest niewielka, nie jest całkowicie nieistniejąca; od czasu do czasu kosmiczne neutrino zderza się z inną cząsteczką, wytwarzając bardzo słaby rozbłysk światła.

Detektory podziemne, odizolowane od innych źródeł promieniowania, mogą wykryć te rozbłyski. IceCube na Antarktydzie, Super-Kamiokande w Japonii i MiniBooNE w Fermilab w Illinois to trzy takie detektory.

Fizycy od dawna poszukiwali jednak neutrin wytwarzanych w zderzaczach cząstek, ponieważ związane z nimi wysokie energie nie są tak dobrze zbadane jak neutrina niskoenergetyczne.

„Mogą nam powiedzieć o głębokiej przestrzeni kosmicznej w sposób, którego nie możemy się dowiedzieć inaczej” – mówi fizyk cząstek elementarnych, Jamie Boyd z CERN. „Te bardzo wysokoenergetyczne neutrina w LHC są ważne dla zrozumienia naprawdę ekscytujących obserwacji w astrofizyce cząstek elementarnych”.

FASERnu to detektor emulsji składający się z milimetrowych płytek wolframowych ułożonych na przemian z warstwami filmu emulsyjnego. Wolfram został wybrany ze względu na jego dużą gęstość, która zwiększa prawdopodobieństwo interakcji neutrin; detektor składa się z 730 filmów emulsyjnych i łącznej masy wolframu około 1 tony.

Podczas eksperymentów cząsteczkowych w LHC neutrina mogą zderzać się z jądrami w płytkach wolframowych, tworząc cząsteczki, które pozostawiają ślady w warstwach emulsji, trochę jak sposób, w jaki promieniowanie jonizujące tworzy ślady w komorze chmurowej.

Płyty te należy wywołać, podobnie jak kliszę fotograficzną, zanim fizycy będą mogli przeanalizować ślady cząstek, aby dowiedzieć się, co je wytworzyło.

Sześciu kandydatów na neutrina zostało zidentyfikowanych i opublikowanych w 2021 roku. Teraz naukowcy potwierdzili swoje odkrycie, wykorzystując dane z trzeciego uruchomienia zmodernizowanego LHC, które rozpoczęło się w zeszłym roku, z poziomem istotności 16 sigma.

Oznacza to, że prawdopodobieństwo, że sygnały zostały wygenerowane przez przypadek, jest tak niskie, że prawie zerowe; poziom istotności 5 sigma jest wystarczający, aby kwalifikować się jako odkrycie w fizyce cząstek elementarnych.

Zespół FASER nadal ciężko pracuje nad analizą danych zebranych przez detektor i wydaje się prawdopodobne, że nastąpi znacznie więcej detekcji neutrin. Przebieg 3 LHC ma trwać do 2026 r., a gromadzenie i analiza danych są w toku.

W 2021 roku fizyk David Casper z UC Irvine przewidywał, że przebieg wytworzy około 10 000 interakcji neutrin, co oznacza, że ​​ledwie zarysowaliśmy powierzchnię tego, co FASERnu ma do zaoferowania.

„Neutrina są jedynymi znanymi cząstkami, których znacznie większe eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów nie są w stanie bezpośrednio wykryć”, mówi, „więc udana obserwacja FASER oznacza, że ​​pełny potencjał fizyczny zderzacza jest wreszcie wykorzystywany”.

Wyniki zespołu zostały zaprezentowane na 57. konferencji Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories.