يكتشف الفيزيائيون علامات النيوترينوات في مصادم الهادرونات الكبير

حقق فريق Forward Search Experiment الدولي ، بقيادة علماء الفيزياء في جامعة كاليفورنيا ، إيرفين ، أول اكتشاف على الإطلاق للنيوترينو المُرشح الذي أنتجه مصادم الهادرونات الكبير في منشأة CERN بالقرب من جنيف ، سويسرا.

في ورقة نشرت اليوم في المجلة مراجعة البدنية د، يصف الباحثون كيف لاحظوا ستة تفاعلات نيوترينو أثناء تشغيل تجريبي لكاشف مستحلب مضغوط تم تركيبه في LHC في عام 2018.

قال المؤلف المشارك جوناثان فينج ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك المتميز في UCI والرائد المشارك في FASER Collaboration: “قبل هذا المشروع ، لم تظهر أي علامة على وجود نيوترينوات في مصادم الجسيمات”. “هذا الاختراق الهام هو خطوة نحو تطوير فهم أعمق لهذه الجسيمات المراوغة والدور الذي تلعبه في الكون.”

وقال إن الاكتشاف الذي تم خلال الطيار أعطى فريقه معلومتين مهمتين.

قال فنغ: “أولاً ، تحقق من أن الموضع الأمامي لنقطة تفاعل ATLAS في LHC هو الموقع الصحيح لاكتشاف نيوترينوات المصادم”. “ثانيًا ، أظهرت جهودنا فعالية استخدام كاشف المستحلب لمراقبة هذه الأنواع من تفاعلات النيوترينو.”

كانت الأداة التجريبية مكونة من ألواح الرصاص والتنغستن بالتناوب مع طبقات من المستحلب. أثناء تصادم الجسيمات في LHC ، أنتجت بعض النيوترينوات تحطيمًا في نوى المعادن الكثيفة ، مما يخلق جزيئات تنتقل عبر طبقات المستحلب وتخلق علامات يمكن رؤيتها بعد المعالجة. توفر هذه النقوش أدلة حول طاقات الجسيمات ونكهاتها – تاو أو ميون أو إلكترون – وما إذا كانت نيوترينوات أم مضادات نيوترينوات.

وفقًا لـ Feng ، يعمل المستحلب بطريقة مشابهة للتصوير الفوتوغرافي في عصر ما قبل الكاميرا الرقمية. عندما يتعرض فيلم 35 ملم للضوء ، تترك الفوتونات مسارات تظهر على شكل أنماط عند تطوير الفيلم. تمكن باحثو FASER أيضًا من رؤية تفاعلات النيوترينو بعد إزالة طبقات المستحلب في الكاشف وتطويرها.

“بعد التحقق من فعالية نهج كاشف المستحلب في مراقبة تفاعلات النيوترينوات المنتجة عند أ مصادم الجسيمات، يقوم فريق FASER الآن بإعداد سلسلة جديدة من التجارب باستخدام أداة كاملة أكبر بكثير وأكثر حساسية بشكل ملحوظ ، “قال Feng.

منذ عام 2019 ، كان هو وزملاؤه يستعدون لإجراء تجربة باستخدام أدوات FASER لفحص المادة المظلمة في LHC. إنهم يأملون في الكشف عن الفوتونات المظلمة ، والتي من شأنها أن تعطي الباحثين لمحة أولية عن كيفية حدوث ذلك المادة المظلمة يتفاعل مع الذرات العادية والمادة الأخرى في الكون من خلال قوى غير الجاذبية.

مع نجاح عملهم في مجال النيوترينو خلال السنوات القليلة الماضية ، فإن فريق FASER – المؤلف من 76 فيزيائيًا من 21 مؤسسة في تسعة بلدان – يجمع بين مستحلب كاشف مع جهاز FASER. بينما يزن الكاشف التجريبي حوالي 64 رطلاً ، فإن أداة FASERnu ستكون أكثر من 2400 رطل ، وستكون أكثر تفاعلاً وقدرة على التمييز بين أنواع النيوترينو.

قال المؤلف المشارك ديفيد كاسبر ، مشارك في مشروع FASER -قائد وأستاذ مشارك للفيزياء والفلك في UCI. “سوف نكتشف النيوترينوات الأعلى طاقة والتي تم إنتاجها من مصدر من صنع الإنسان.”

وقال إن ما يجعل FASERnu فريدًا هو أنه في حين أن التجارب الأخرى تمكنت من التمييز بين نوع أو نوعين من النيوترينوات ، فإنها ستكون قادرة على مراقبة النكهات الثلاثة بالإضافة إلى نظائرها من مضادات النيترينو. قال كاسبر إنه لم يكن هناك سوى حوالي 10 ملاحظات لنيوترينوات تاو في كل تاريخ البشرية ، لكنه يتوقع أن يتمكن فريقه من مضاعفة هذا الرقم أو تضاعفه ثلاث مرات خلال السنوات الثلاث المقبلة.

قال فينج: “هذا ارتباط رائع بشكل لا يصدق بالتقاليد في قسم الفيزياء هنا في UCI ،” لأنه يستمر في إرث فريدريك رينز ، عضو هيئة التدريس المؤسس في UCI الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لكونه أول من اكتشف النيوترينوات. “

قال كاسبر: “لقد أنتجنا تجربة على مستوى عالمي في معمل فيزياء الجسيمات الأول في العالم في وقت قياسي ومصادر غير تقليدية للغاية”. “نحن مدينون بامتنان كبير لمؤسسة Heising-Simons ومؤسسة Simons ، بالإضافة إلى الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم و CERN ، التي دعمتنا بسخاء.”

سافانا شيفلي وجيسون أراكاوا ، دكتوراه من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس. طلاب الفيزياء وعلم الفلك ، ساهموا أيضًا في البحث.