Az első neutrínó-megfigyelés a CERN Nagy Hadronütköztetőjében

Czeczon

Az első neutrínó-megfigyelés a CERN Nagy Hadronütköztetőjében

A neutrínók apró és semleges töltésű részecskék, amelyeket a részecskefizikában kiemelt helyen vannak. Noha a becslések szerint ezek a részecskék a legnagyobb mennyiségben előforduló részecskék az univerzumban, megfigyelésük eddig nagy kihívásnak bizonyult, mivel kicsi annak a valószínűsége, hogy kölcsönhatásba lépnek más anyaggal és nem rendelkeznek elektromos töltéssel. Testünkön másodpercenként nagyjából 100 billió darab halad át. Ezeket az apró, eddig ütköztetőben nem detektált részecskéket sikerült megfigyelni – adta hírül a Phys.org tudományos hírportál.

E részecskék kimutatására és a neutrínóforrások vizsgálatára a fizikusok detektorokat és fejlett berendezéseket használtak. A napból származó neutrínók, kozmikus sugarak, szupernóvák és más kozmikus objektumok, valamint részecskegyorsítók és atomreaktorok voltak a források és annak ellenére, hogy néhányszor már megfigyelhették, részecskegyorsítóban még nem sikerült eddig detektálni, pedig rengeteg képződik belőlük.

Ezen a kutatási területen régóta fennálló cél az ütközőkben, részecskegyorsítókban lévő neutrínók megfigyelése volt, amelyekben két részecskenyaláb ütközik egymással. Két nagy kutatási együttműködés, nevezetesen a FASER (Forward Search Experiment) és az SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, először figyelte meg ezeket az ütközőneutrínókat a CERN svájci Large Hadron Collider (LHC) detektoraival. Két tanulmányuk eredményét a közelmúltban publikálták a Physical Review Letters-ben.

"A neutrínókat nagyon bőségesen állítják elő protonütköztetőkben, például az LHC-ben" - mondta Cristovao Vilela, az SND@LHC együttműködés tagja a Phys.org-nak. "Eddig azonban ezeket a neutrínókat soha nem figyelték meg közvetlenül. A neutrínók más részecskékkel való nagyon gyenge kölcsönhatása nagy kihívást jelent a kimutatásukra, és emiatt a részecskefizikai szabványmodellben a legkevésbé tanulmányozott részecskék."

A FASER és az SND@LHC együttműködés két külön kutatási törekvés, mindkettő a CERN LHCjét használja. A közelmúltban ez a két terület egymástól függetlenül figyelte meg az első ütköző neutrínókat, amelyek fontos új utakat nyithatnak a kísérleti részecskefizikai kutatások számára.

"A részecskeütköztetők több mint 50 éve léteznek, és a neutrínók kivételével minden ismert részecskét észleltek" - mondta Jonathan Lee Feng, a FASER Collaboration szóvivője a Phys.org-nak.

"Ugyanakkor minden alkalommal, amikor neutrínókat fedeztek fel új forrásból, legyen szó atomreaktorról, napról, Földről vagy szupernóváról, megtudtunk valami rendkívül fontosat az univerzumról. Legutóbbi munkánk részeként első alkalommal a részecskeütköztetőben keletkező neutrínók kimutatására törekedtünk."

A FASER együttműködés során az ütközőneutrínókat úgy figyelték meg, hogy detektorukat a nyalábvonal mentén helyezték el, követve a pályájukat. Ismeretes, hogy ezen a helyen túlnyomórészt nagy energiájú neutrínókat állítanak elő, de az LHC más detektoraiban ebben az irányban vannak holtfoltok, így a múltban nem tudták megfigyelni őket.

"Mivel ezeknek a neutrínóknak nagy fluxusuk és nagy energiájuk van, ami miatt sokkal nagyobb valószínűséggel lépnek kapcsolatba egymással, 153-at tudtunk észlelni belőlük egy nagyon kicsi, olcsó detektorral, amelyet nagyon rövid idő alatt készítettünk" - magyarázta Feng. "Korábban úgy gondolták, hogy a részecskefizika két részre oszlik: nagy energiájú kísérletekre, amelyek a nehéz részecskék, például a csúcskvarkok és a Higgs-bozonok tanulmányozásához szükségesek, valamint a nagy intenzitású kísérletekre, amelyek a neutrínók tanulmányozásához szükségesek. Ez a munka megmutatta, hogy a nagy energiájú kísérletek a neutrínókat is tanulmányozhatják, és így összehozták a nagy energiájú és a nagy intenzitású határokat."

A Feng és a FASER együttműködés többi tagja által észlelt neutrínók a valaha mért legmagasabb energiával rendelkeznek laboratóriumi környezetben. Így megnyithatják az utat a neutrínók tulajdonságainak mélyreható tanulmányozása előtt, valamint más megfoghatatlan részecskék keresése előtt.

fotók: CERN