Zespół składający się z fizyków z Uniwersytetu w Bernie po raz pierwszy wykrył cząstki subatomowe zwane neutrinami, powstałe w akceleratorze cząstek, a mianowicie w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN. Odkrycie obiecuje pogłębić wiedzę naukowców na temat natury neutrin, które są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych cząstek we wszechświecie i kluczem do rozwiązania pytania, dlaczego jest więcej materii niż antymaterii.
Neutrina to fundamentalne cząstki, które odegrały ważną rolę we wczesnej fazie wszechświata. Są kluczowe, aby dowiedzieć się więcej o podstawowych prawach natury, w tym o tym, jak cząstki uzyskują masę i dlaczego jest więcej materii niż antymaterii. Pomimo tego, że należą do najbardziej rozpowszechnionych cząstek we wszechświecie, są bardzo trudne do wykrycia, ponieważ przechodzą przez materię prawie bez interakcji. Dlatego często nazywane są „cząstkami widmowymi”.
Neutrina są znane od kilkudziesięciu lat i były bardzo ważne dla ustanowienia standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych. Jednak większość neutrin zbadanych do tej pory przez fizyków to neutrina niskoenergetyczne. Wcześniej żaden eksperyment nie wykrył żadnego neutrina wytwarzanego w zderzaczu cząstek. Teraz udało się to zrobić międzynarodowemu zespołowi, w skład którego wchodzą naukowcy z Laboratorium Fizyki Wysokich Energii (LHEP) Uniwersytetu w Bernie. Korzystając z detektora cząstek FASER w CERN w Genewie, zespół był w stanie wykryć neutrina o bardzo wysokiej energii wytwarzane przez zupełnie nowe źródło: Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN. Międzynarodowa współpraca FASER ogłosiła ten wynik 19 marca na konferencji MORIOND EW w La Thuile we Włoszech.
FASER umożliwia badanie neutrin o wysokiej energii
Właściwości neutrin były badane w licznych eksperymentach od czasu ich odkrycia w 1956 roku przez Clyde’a L. Cowana i Fredericka Reinesa. Jednym z wiodących eksperymentów do badania neutrin jest budowany w USA Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Uniwersytet w Bernie jest kluczowym współtwórcą. Eksperymenty, takie jak DUNE, mają charakter ogólny i mogą badać wiele właściwości neutrin z różnych źródeł. Jednym z aspektów, który nie został uwzględniony, są neutrina o bardzo wysokiej energii.
Największym dostępnym akceleratorem energii jest LHC w CERN, gdzie nowe cząstki są wytwarzane przez dwie wiązki protonów zderzających się ze sobą z niezwykle wysoką energią. Jednak neutrina nigdy nie zostały wykryte w żadnym zderzaczu, ponieważ uciekają z istniejących detektorów w LHC.
Zaproponowano eksperyment FASER, aby wypełnić tę lukę. „W tym eksperymencie mierzymy bardzo wysokoenergetyczne neutrina wytwarzane przez zderzacz LHC w CERN. Celem jest zbadanie, w jaki sposób te neutrina są produkowane, jakie są ich właściwości oraz poszukiwanie sygnałów nowych cząstek” – mówi Akitaka Ariga, lider zespołu ds. Grupa FASER w Laboratorium Fizyki Wysokich Energii Uniwersytetu w Bernie (LHEP). LHEP jest częścią Instytutu Fizyki i Centrum Fizyki Podstawowej im. Alberta Einsteina (AEC). „Eksperyment FASER to wyjątkowy pomysł na styku zderzaczy najwyższych energii i fizyki neutrin. Przy zastosowaniu takich nowych podejść często dokonuje się nowych odkryć” – mówi Michele Weber, dyrektor LHEP na Uniwersytecie w Bernie.
Fizyka ukryta w neutrinach?
Do bieżącej obserwacji neutrin eksperyment zebrał dane w LHC w 2022 r. Zespół wykrył 153 zdarzenia, które są interakcjami neutrin z niezwykle dużą pewnością. Neutrina wykryte przez FASER mają najwyższą energię, jaką kiedykolwiek wyprodukowano w laboratorium i są podobne do neutrin pochodzących z głębokiego kosmosu, które wyzwalają dramatyczne deszcze cząstek w naszej atmosferze lub na Ziemi. Są zatem również ważnym narzędziem dla badaczy do lepszego zrozumienia obserwacji w astrofizyce cząstek elementarnych.
„To osiągnięcie jest historycznym kamieniem milowym w uzyskaniu nowego źródła neutrin o niezbadanych właściwościach” – mówi Akitaka Ariga. Przedstawiony wynik to dopiero początek serii poszukiwań. Eksperyment będzie zbierał dane do końca 2025 roku. „W neutrinach w skali wysokoenergetycznej może być ukryta fizyka” – mówi Akitaka Ariga.
Projekt ten otrzymał finansowanie od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) w ramach unijnego programu badań i innowacji Horyzont 2020 (Umowa o grant nr 101002690, FASERnu)