FASER מודד חוזק אינטראקציה של ניטרינו באנרגיה גבוהה

ניסוי ה-FASER, הפועל במאיץ האדרונים הגדול (LHC) של CERN מאז 2022, נועד לחפש חלקיקים בעלי אינטראקציה חלשה ביותר. חלקיקים כאלה חזויים על ידי תיאוריות רבות מעבר למודל הסטנדרטי המנסות לפתור בעיות יוצאות דופן בפיזיקה כמו טבעו של החומר האפל וחוסר האיזון בין חומר אנטי-חומר ביקום.

מטרה נוספת של הניסוי היא לחקור אינטראקציות של נויטרינו עתירי אנרגיה שנוצרו בהתנגשויות LHC, חלקיקים שכמעט בלתי אפשרי לזהות בארבעת ניסויי ה-LHC הגדולים. בשבוע שעבר, בכנס Rencontres de Moriond השנתי, שיתוף הפעולה של FASER הציג מדידה של חוזק האינטראקציה, או "חתך רוחב", של נויטרינו אלקטרונים (ν_e) וניטרינו מיאון (ν_μ).

זו הפעם הראשונה שמדידה כזו מתבצעת במתנגש חלקיקים. מדידות מסוג זה יכולות לספק תובנות חשובות על פני היבטים שונים של הפיזיקה, החל מהבנת הייצור של חלקיקים "קדימה" בהתנגשויות ה-LHC ושיפור ההבנה שלנו לגבי מבנה הפרוטון ועד לפירוש מדידות של נויטרינו עתירי אנרגיה ממקורות אסטרופיזיקליים שבוצעו על ידי ניסויי נייטרינו-טלסקופ.

FASER ממוקם במנהרה צדדית של מאיץ LHC, במרחק של 480 מטרים מנקודת ההתנגשות של גלאי ATLAS. במיקום זה, אלומת ה-LHC כבר נמצאת במרחק של כמעט 10 מטרים, ומתכופפת בנתיב המעגלי של 27 ק"מ. זהו מיקום ייחודי לחקר חלקיקים בעלי אינטראקציה חלשה שנוצרו בהתנגשויות LHC.

חלקיקים טעונים המיוצרים בהתנגשויות מוסטים על ידי מגנטי LHC. רוב החלקיקים הנייטרליים נעצרים על ידי מאות מטרים של סלע בין FASER ל-ATLAS. רק חלקיקים ניטרליים בעלי אינטראקציה חלשה מאוד כמו ניטרינו צפויים להמשיך ישר ולהגיע למיקום בו מותקן הגלאי.

ההסתברות לאינטראקציה של ניטרינו עם חומר היא קטנה מאוד, אבל לא אפס. סוג האינטראקציה ש-FASER רגיש אליו הוא המקום שבו נייטרינו מקיים אינטראקציה עם פרוטון או נויטרון בתוך הגלאי. באינטראקציה זו, הנייטרינו הופך ל"לפטון" טעון מאותה משפחה - אלקטרון במקרה של ν_e, ומיון במקרה של ν_μ-אשר נראה בגלאי. אם האנרגיה של הנייטרינו גבוהה, בהתנגשות נוצרים גם כמה חלקיקים אחרים.

הגלאי המשמש לביצוע המדידה מורכב מ-730 לוחות טונגסטן משולבים ופלטות אמולסיה צילום. האמולסיה נחשפה במהלך התקופה שבין 26 ביולי ל-13 בספטמבר 2022 ולאחר מכן פותחה ונותחה כימית בחיפוש אחר עקבות של חלקיקים טעונים.

מועמדים לאינטראקציות ניטרינו זוהו על ידי חיפוש צבירים של מסלולים שניתן לאתר אותם לקודקוד בודד. אז היה צריך לזהות את אחד המסלולים האלה כאלקטרון או מיאון בעל אנרגיה גבוהה.

בסך הכל, ארבעה מועמדים ל- ν_e אינטראקציה ושמונה מועמדים ל- ν_μ נמצאו אינטראקציה. הארבעה ν_e מועמדים מייצגים את התצפית הישירה הראשונה של נויטרינו אלקטרונים שנוצרו בתא מתנגש. ניתן לפרש את התצפיות כמדידות של חתכי רוחב של אינטראקציה של נייטרינו, מה שמניב (1.2^+0.9_-0.8) × 10^-38 cm² GeV^-1 במקרה של ה- ν_e ו-(0.5 ± 0.2) × 10^-38 cm² GeV^-1 במקרה של ה- ν_μ.

האנרגיות של הנייטרינו נמצאו בטווח שבין 500 ל-1700 GeV. לא בוצעה בעבר מדידה של חתך האינטראקציה של ניטרינו באנרגיות מעל 300 GeV במקרה של ν_e ובין 400 GeV ל-6 TeV במקרה של ν_μ.

התוצאות שהושגו על ידי FASER, פורסמו ב- arXiv שרת preprint, תואמים את הציפיות ומדגימים את היכולת של FASER לבצע מדידות חתך ניטרינו ב-LHC. עם הנתונים המלאים של LHC Run 3, יתגלו פי 200 יותר אירועי נייטרינו, מה שיאפשר מדידות הרבה יותר מדויקות.