Wykrywanie nieuchwytnych cząstek za pomocą FASER

Jamie Boyd, współrzecznik eksperymentów FASER i FASERν w CERN, omawia cel projektów i potencjalny wpływ ostatnich odkryć w tej dziedzinie.

W marcu 2023 roku Eksperyment FASER opublikował swoje pierwsze wyniki, wykrywając po raz pierwszy w środowisku eksperymentu zderzające się neutrina.

FASER to jeden z najnowszych eksperymentów fizyki cząstek elementarnych przeprowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN. Badanie rozpoczęło się zbieranie danych w lipcu 2022 r. i zakończyło zbieranie danych za rok w lipcu 2023 r.

Zaprojektowany do odkrywania i badania nieuchwytnych, słabo oddziałujących cząstek, które mogą powstać w zderzeniach, eksperyment FASER może pomóc w rozwiązaniu niektórych z największych tajemnic fizyki cząstek elementarnych. Testując przewidywania, eksperyment poprawia nasze zrozumienie pojęć takich jak ciemna materia i pozwala nam potwierdzać, wykluczać, a może nawet formułować przewidywania. Jego poddetektor FASERν bada interakcje między wysokoenergetycznymi neutrinami, pogłębiając naszą wiedzę o podstawach fizyki.

Platforma innowacji Porozmawiaj z naukowcem CERN i współ rzecznikiem FASER, Jamiem Boydem, aby dowiedzieć się więcej o eksperymentach FASER i FASERν, a także o potencjalnych implikacjach ostatnich odkryć w tej dziedzinie.

Czy możesz wyjaśnić badania FASER i FASERν oraz ich cele?

Eksperyment FASER ma na celu poszukiwanie nowych cząstek wirtualnych, które mogłyby powstać w zderzeniach Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). FASER umieszczono w specjalnym miejscu, innym niż pozostałe eksperymenty w LHC, aby był czuły na nowe cząstki, które prawdopodobnie zostaną wytworzone, ale nie zostaną zaobserwowane w innych eksperymentach.

Motywacją do badań były modele próbujące wyjaśnić ciemną materię. Dzięki obserwacjom kosmicznym wiemy, że istnieje ciemna materia, co można wytłumaczyć modelami prawdopodobieństwa pojawienia się nowych cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

FASER przeznaczony jest także do badania wysokoenergetycznych neutrin powstających w zderzeniach LHC. FASERν to poddetektor będący częścią eksperymentu FASER zaprojektowanego do wykrywania i badania neutrin.

Neutrina są częścią Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych – ram teoretycznych zweryfikowanych eksperymentalnie. Jednakże nigdy nie badano ich wytwarzania w zderzaczu cząstek. W zderzaczu możemy badać neutrina o najwyższej energii, jakie kiedykolwiek wytworzono w eksperymencie laboratoryjnym. Chociaż neutrina wysokoenergetyczne badano ze źródeł astrofizycznych, tradycyjnie trudno było ustalić, skąd pochodzą i co je wytwarza.

W zderzeniach LHC znamy energię zderzających się protonów, a co za tym idzie, wiemy, w jaki sposób powstają neutrina, jaką mają energię, dzięki czemu możemy badać ich interakcje.

Zazwyczaj do badania takich neutrin potrzebny byłby nowy obiekt, co wiązałoby się ze znacznymi kosztami, a jednocześnie było czasochłonne i pracochłonne. FASER pozwala wykorzystać neutrina, które są już produkowane w LHC. Korzystanie z istniejącego obiektu w ten sposób jest bardzo wydajne i naprawdę maksymalizujemy fizykę, którą można z niego wydobyć.

Jakie postępy poczyniono od czasu rozpoczęcia gromadzenia danych w 2022 r.?

Na początku zaczęliśmy zbierać dane Uruchom 3 LHCw lipcu 2022 r., a następnie dane były zbierane w sposób ciągły podczas zderzeń LHC z protonami, aż do listopada 2022 r. Następnie proces rozpoczął się ponownie w marcu 2023 r.

Wykorzystując dane z 2022 r., projekt FASER opublikował na swoich zimowych konferencjach w marcu 2023 r. dwa wyniki. Jednym z nich było poszukiwanie potencjalnej nowej cząstki, która mogłaby pomóc w wyjaśnieniu ciemnej materii, ciemnego fotonu. Przeprowadzono analizę w celu poszukiwania tego ciemnego fotonu, ale niestety nie została znaleziona. Pozwoliło to jednak wykluczyć niektóre czasy życia i masy ciemnych fotonów, poprawiając w ten sposób parametry dozwolone w modelu.

Być może najbardziej ekscytujące jest odkrycie neutrin. Chociaż znamy te cząstki, nie zaobserwowaliśmy jeszcze zderzających się neutrin w środowisku eksperymentalnym, a wyniki te reprezentują ich pierwsze wykrycie. Zarówno detektor, jak i cały eksperyment działają bardzo dobrze. Fakt, że neutrina pojawiają się tak często w naszych danych, daje nam możliwość przeprowadzenia bardzo interesujących badań neutrin w miarę gromadzenia większej ilości danych.

Dlaczego zrozumienie neutrin jest ważne?

Neutrina to niezwykle nieuchwytne cząstki podstawowe w Modelu Standardowym, oddziałujące zbyt słabo, aby można je było uchwycić i zbadać. Chociaż jest ich duża liczba, trudno je zmierzyć eksperymentalnie. W rezultacie nie są one dobrze rozumiane.

Tradycyjna metoda badania neutrin polega na wystrzeleniu wiązki cząstek w ustalony cel, a następnie przecięciu wiązki i wytworzeniu deszczu cząstek wtórnych. Wśród tych cząstek wtórnych znajdują się neutrina. Jednakże takie neutrina są zwykle wytwarzane przy energiach od 100 do 1000 razy niższych niż te obserwowane w FASER.

Istnieje kilka modeli poza Modelem Standardowym, zaprojektowanych w celu odpowiedzi na różne typy pytań z zakresu fizyki cząstek elementarnych, a modele te mogą modyfikować sposób, w jaki neutrina oddziałują przy wysokich energiach. Dzięki FASER będziemy mogli po raz pierwszy ograniczyć te modele danymi, wykorzystując niezbadaną energię.

Neutrina pochodzące ze źródeł astrofizycznych są również ważne dla badania i pogłębiania naszego zrozumienia Wszechświata.

Ice Cube to eksperyment przeprowadzony na Antarktydzie, który wykorzystuje lód jako cel do pomiaru neutrin pochodzących z kosmosu. Dzięki temu możemy szukać ciemnej materii, czarnych dziur i efektów, które nie zostały jeszcze odkryte. Są to neutrina o niezwykle wysokiej energii, a zrozumienie ich interakcji jest ważnym elementem wykorzystania danych Ice Cube do poznania podstawowych fizyki.

Pomiary neutrin wykonane w FASER pomogą w tym przedsięwzięciu i przybliżą nas do zrozumienia niektórych z najbardziej tajemniczych aspektów wszechświata.

W lipcu zespoły CERN szybko i fachowo odkryły i usunęły nieszczelność w LHC. Czy miało to wpływ na eksperyment FASER?

Chociaż wyciek został szybko naprawiony, dane uzyskane od czasu jego naprawy dotyczyły badań innych niż FASER. Dlatego też w wyniku wycieku FASER w zasadzie zakończył zbieranie danych – za 2023 rok – wcześniej niż oczekiwano.

Pracujemy jednak z najnowszymi technologiami. Magnesy Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) to najzimniejsze miejsce we wszechświecie, działające w ekstremalnej próżni. Dlatego takie problemy są uważane za normalne i oczekiwane.

Z jakimi wyzwaniami spotykasz się realizując taki projekt?

Największym wyzwaniem jest strona internetowa FASER, ponieważ jest bardzo specyficzna i trudno dostępna. Droga dojazdowa jest wąska, a w niektórych obszarach bardzo radioaktywna. Wymaga to także przejścia wzdłuż Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), czego nie można zrobić przy włączonej przepustnicy.

Czynniki te wymagają solidnego detektora, który rzadko wymaga konserwacji. Jak dotąd to się udawało. Detektor działał zgodnie z oczekiwaniami, a podczas działania wiązki nie była wymagana żadna interwencja.

Eksperyment zaprojektowany do działania w przestrzeni kosmicznej opiera się na założeniu, że jest on niedostępny, co oznacza, że ​​niezbędna jest niezawodność i muszą istnieć zdarzenia awaryjne, które umożliwią funkcjonowanie projektu w przypadku awarii części. Ta sama zasada jest powszechnie stosowana w CERN.

Na naszą korzyść CERN ma możliwość naprawy i dostępu do eksperymentów, jeśli to konieczne, co zapewnia pewną swobodę. Jednakże takie postępowanie przerwałoby działanie Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) i miałoby konsekwencje dla całego programu fizyki CERN. Dlatego też, aby zminimalizować zakłócenia, eksperymenty są projektowane i budowane tak, aby były wysoce niezawodne i wytrzymałe.

Co oznacza dla eksperymentu niedawne wykrycie neutrin za pomocą FASER?

FASER to nowe doświadczenie, które powstało podczas ostatniej długiej izolacji i działa dopiero od nieco ponad roku. Fakt, że eksperyment przebiegł zgodnie z oczekiwaniami i że zderzające się neutrina wykryto tak szybko, jest naprawdę obiecujący. Operacje przebiegały sprawnie, a działanie detektora było doskonałe, a tego nie można zagwarantować w eksperymencie tego typu.

Jako mały i młody zespół, wysiłek wymagany do realizacji projektu tej wielkości był znaczny, dlatego też wyniki były szczególnie satysfakcjonujące. Wyniki świadczą o pomyślnym zaprojektowaniu eksperymentu, co stanowi obiecującą wiadomość dotyczącą przyszłości naszej działalności i umożliwia nam kontynuowanie działań zgodnie z oczekiwaniami.

Skąd tak wielki rozwój w tej dziedzinie?

Jeśli chodzi ogólnie o dziedzinę, ten konkretny wynik stanowi dowód słuszności koncepcji. Dowodzi to, że jesteśmy w stanie badać neutrina w LHC w reżimie wysokoenergetycznym. W miarę jak FASER uzyska w nadchodzących latach coraz więcej danych, będziemy mieli możliwość i czas na bardziej wszechstronną analizę naszych wyników i wydobycie przydatnych – a być może zupełnie nowych – informacji na temat neutrin wysokoenergetycznych.

Projekt stanowi ważny nowy rozdział w tej dziedzinie fizyki, a jego wyniki będą miały zastosowanie w astrofizyce i fizyce cząstek elementarnych. Wyniki te stanowią pierwszy krok w kierunku wykorzystania tego eksperymentu do lepszego zrozumienia podstawowej fizyki.

Informujemy, że artykuł ten ukaże się także w 16. wydaniu naszego kwartalnika.