لأول مرة على الإطلاق ، اكتشف الفيزيائيون علامات النيوترينوات في مصادم الهادرونات الكبير

علمي أولاً في منشأة CERN معاينة للحملة البحثية القادمة لمدة 3 سنوات.

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

في ورقة بحثية نشرت في المجلة بتاريخ 24 نوفمبر 2021 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.

تم مؤخرًا تعزيز كاشف الجسيمات FASER الذي حصل على موافقة المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) ليتم تثبيته في مصادم الهادرونات الكبير في عام 2019 بأداة للكشف عن النيوترينوات. استخدم فريق FASER بقيادة UCI كاشفًا أصغر من نفس النوع في عام 2018 لإجراء الملاحظات الأولى للجسيمات المراوغة المتولدة في المصادم. قال الباحثون إن الأداة الجديدة ستكون قادرة على اكتشاف آلاف تفاعلات النيوترينو على مدى السنوات الثلاث المقبلة. مصدر الصورة: CERN

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 اصطدام الجسيمات في LHC ، تسببت بعض النيوترينوات في تحطيم 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.

قال فنغ: “بعد التحقق من فعالية نهج كاشف المستحلب في مراقبة تفاعلات النيوترينوات الناتجة عن مصادم الجسيمات ، يقوم فريق FASER الآن بإعداد سلسلة جديدة من التجارب بأداة كاملة أكبر بكثير وأكثر حساسية بشكل ملحوظ”.

تقع تجربة FASER على بعد 480 مترًا من نقطة تفاعل أطلس في مصادم هادرون الكبير. وفقًا لجوناثان فينج ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك المتميز في UCI والقائد المشارك لتعاون FASER ، يعد هذا موقعًا جيدًا لاكتشاف النيوترينوات الناتجة عن اصطدام الجسيمات في المنشأة. مصدر الصورة: CERN

منذ عام 2019 ، كان هو وزملاؤه يستعدون لإجراء تجربة باستخدام أدوات FASER لفحص المادة المظلمة في LHC. إنهم يأملون في اكتشاف الفوتونات المظلمة ، والتي ستعطي الباحثين لمحة أولية عن كيفية تفاعل المادة المظلمة مع الذرات الطبيعية والمادة الأخرى في الكون من خلال قوى غير الجاذبية.

مع نجاح عملهم الخاص بالنيوترينو خلال السنوات القليلة الماضية ، فإن فريق FASER – المؤلف من 76 عالمًا فيزيائيًا من 21 مؤسسة في 9 دول – يجمع بين كاشف مستحلب جديد وجهاز 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 كانت قادرة على التمييز بين نوع أو نوعين من النيوترينوات ، فإنها ستكون قادرة على مراقبة جميع 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 فنغ: “هذا ارتباط رائع بشكل لا يصدق بالتقاليد في قسم الفيزياء هنا في UCI” ، لأنه يستمر في إرث فريدريك رينز ، وهو عضو هيئة تدريس مؤسس في UCI وفاز بجائزة 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.”

المرجع: “أول مرشحين لتفاعل النيوترينو في LHC” بواسطة Henso Abreu et al. (FASER Collaboration) ، 24 نوفمبر 2021 ، مراجعة البدنية د.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.L091101

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