Tim fisikawan mendeteksi tanda-tanda neutrino di Large Hadron Collider


Tim Eksperimen Pencarian Maju internasional, yang dipimpin oleh fisikawan di University of California, Irvine, telah mencapai deteksi pertama kandidat neutrino yang diproduksi oleh Large Hadron Collider di fasilitas CERN dekat Jenewa, Swiss.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di jurnal Tinjauan Fisik D, para peneliti menjelaskan bagaimana mereka mengamati enam interaksi neutrino selama uji coba detektor emulsi kompak yang dipasang di LHC pada tahun 2018.

Detektor partikel FASER yang menerima persetujuan CERN untuk dipasang di Large Hadron Collider pada tahun 2019 baru-baru ini telah ditambah dengan instrumen untuk mendeteksi neutrino. Tim FASER yang dipimpin UCI menggunakan detektor yang lebih kecil dari jenis yang sama pada tahun 2018 untuk melakukan pengamatan pertama dari partikel yang sulit dipahami yang dihasilkan pada penumbuk. Instrumen baru akan mampu mendeteksi ribuan interaksi neutrino selama tiga tahun ke depan, kata para peneliti. Kredit gambar: CERN

“Sebelum proyek ini, tidak ada tanda-tanda neutrino yang pernah terlihat pada penumbuk partikel,” kata rekan penulis Jonathan Feng, Profesor Fisika & Astronomi UCI dan salah satu pemimpin Kolaborasi FASER. “Terobosan signifikan ini adalah langkah menuju pengembangan pemahaman yang lebih dalam tentang partikel yang sulit dipahami ini dan peran yang mereka mainkan di alam semesta.”

Dia mengatakan penemuan yang dibuat selama pilot memberi timnya dua informasi penting.

“Pertama, itu memverifikasi bahwa posisi maju dari titik interaksi ATLAS di LHC adalah lokasi yang tepat untuk mendeteksi neutrino penumbuk,” kata Feng. “Kedua, upaya kami menunjukkan efektivitas penggunaan detektor emulsi untuk mengamati interaksi neutrino semacam ini.”

Instrumen pilot terdiri dari pelat timah dan tungsten yang diselingi dengan lapisan emulsi. Selama tumbukan partikel di LHC, beberapa neutrino yang dihasilkan menabrak inti logam padat, menciptakan partikel yang bergerak melalui lapisan emulsi dan membuat tanda yang terlihat setelah diproses. Etsa ini memberikan petunjuk tentang energi partikel, rasa mereka – tau, muon atau elektron – dan apakah mereka neutrino atau antineutrino.

Menurut Feng, emulsi beroperasi dengan cara yang mirip dengan fotografi di era kamera pra-digital. Ketika film 35 milimeter terkena cahaya, foton meninggalkan jejak yang terungkap sebagai pola saat film dikembangkan. Para peneliti FASER juga dapat melihat interaksi neutrino setelah menghilangkan dan mengembangkan lapisan emulsi detektor.

“Setelah memverifikasi keefektifan pendekatan detektor emulsi untuk mengamati interaksi neutrino yang dihasilkan pada penumbuk partikel, tim FASER sekarang sedang mempersiapkan serangkaian eksperimen baru dengan instrumen lengkap yang jauh lebih besar dan secara signifikan lebih sensitif,” kata Feng.

Sejak 2019, ia dan rekan-rekannya telah bersiap untuk melakukan eksperimen dengan instrumen FASER untuk menyelidiki materi gelap di LHC. Mereka berharap untuk mendeteksi foton gelap, yang akan memberi peneliti pandangan pertama tentang bagaimana materi gelap berinteraksi dengan atom normal dan materi lain di alam semesta melalui gaya nongravitasi.

Dengan keberhasilan pekerjaan neutrino mereka selama beberapa tahun terakhir, tim FASER – yang terdiri dari 76 fisikawan dari 21 institusi di sembilan negara – menggabungkan detektor emulsi baru dengan peralatan FASER. Sementara detektor pilot beratnya sekitar 64 pon, instrumen FASERnu akan lebih dari 2.400 pon, dan akan jauh lebih reaktif dan mampu membedakan di antara varietas neutrino.

“Mengingat kekuatan detektor baru kami dan lokasi utamanya di CERN, kami berharap dapat merekam lebih dari 10.000 interaksi neutrino dalam rangkaian LHC berikutnya, mulai tahun 2022,” kata rekan penulis David Casper, rekan proyek FASER. -pemimpin dan profesor fisika & astronomi di UCI. “Kami akan mendeteksi neutrino berenergi tertinggi yang pernah dihasilkan dari sumber buatan manusia.”

Apa yang membuat FASERnu unik, katanya, adalah bahwa sementara eksperimen lain dapat membedakan antara satu atau dua jenis neutrino, ia akan dapat mengamati ketiga rasa ditambah rekan antineutrino mereka. Casper mengatakan bahwa hanya ada sekitar 10 pengamatan tau neutrino dalam semua sejarah manusia, tetapi dia berharap timnya akan dapat menggandakan atau tiga kali lipat jumlah itu selama tiga tahun ke depan.

“Ini adalah ikatan yang sangat bagus dengan tradisi di departemen fisika di sini di UCI,” kata Feng, “karena itu melanjutkan warisan Frederick Reines, anggota fakultas pendiri UCI yang memenangkan Hadiah Nobel dalam fisika karena menjadi yang pertama menemukan neutrino.”

“Kami telah menghasilkan eksperimen kelas dunia di laboratorium fisika partikel utama dunia dalam waktu singkat dan dengan sumber yang sangat tidak tradisional,” kata Casper. “Kami berutang banyak terima kasih kepada Heising-Simons Foundation dan Simons Foundation, serta Japan Society for the Promotion of Science dan CERN, yang telah mendukung kami dengan murah hati.”

Sumber: UC Irvine