Operando no Large Hadron Collider (LHC) do CERN desde 2022, o experimento FASER foi projetado para procurar partículas com interação extremamente fraca. Tais partículas são previstas por muitas teorias além do Modelo Padrão que tentam resolver problemas pendentes na física, como a natureza da matéria escura e o desequilíbrio matéria-antimatéria no universo.
Outro objetivo do experimento é estudar as interações de neutrinos de alta energia produzidos nas colisões do LHC, partículas que são quase impossíveis de detectar nos quatro grandes experimentos do LHC. Na semana passada, na conferência anual Rencontres de Moriond, a colaboração FASER apresentou uma medição da força de interação, ou “seção transversal”, de neutrinos de elétrons (νe) e neutrinos de múon (νμ).
Esta é a primeira vez que tal medição é feita em um colisor de partículas. Medições deste tipo podem fornecer informações importantes sobre diferentes aspectos da física, desde a compreensão da produção de partículas “diretas” nas colisões do LHC e melhorando a nossa compreensão da estrutura do próton até a interpretação de medições de neutrinos de alta energia de fontes astrofísicas realizadas por experimentos com telescópios de neutrinos.
O FASER está localizado em um túnel lateral do acelerador LHC, a 480 metros do ponto de colisão do detector ATLAS. Nesse local, o feixe do LHC já está a quase 10 metros de distância, curvando-se no seu percurso circular de 27 quilómetros. Este é um local único para estudar partículas de interação fraca produzidas nas colisões do LHC.
Partículas carregadas produzidas nas colisões são desviadas pelos ímãs do LHC. A maioria das partículas neutras são detidas pelas centenas de metros de rocha entre FASER e ATLAS. Espera-se que apenas partículas neutras com interação muito fraca, como os neutrinos, continuem em frente e alcancem o local onde o detector está instalado.
A probabilidade de um neutrino interagir com a matéria é muito pequena, mas não zero. O tipo de interação ao qual o FASER é sensível é quando um neutrino interage com um próton ou nêutron dentro do detector. Nessa interação, o neutrino se transforma em um “lépton” carregado da mesma família – um elétron no caso de um νe, e um múon no caso de um νμ– que é visível no detector. Se a energia do neutrino for alta, diversas outras partículas também serão produzidas na colisão.
O detector utilizado para realizar a medição consiste em 730 placas intercaladas de tungstênio e placas de emulsão fotográfica. A emulsão foi exposta durante o período de 26 de julho a 13 de setembro de 2022 e depois desenvolvida quimicamente e analisada em busca de rastros de partículas carregadas.
Candidatos para interações de neutrinos foram identificados procurando aglomerados de trilhas que pudessem ser rastreadas até um único vértice. Uma dessas trilhas teve então que ser identificada como um elétron ou múon de alta energia.
No total, quatro candidatos para um νe interação e oito candidatos para um νμ interação foi encontrada. Os quatro ve os candidatos representam a primeira observação direta de neutrinos de elétrons produzidos em um colisor. As observações podem ser interpretadas como medições de seções transversais de interação de neutrinos, produzindo (1.2+0.9-0.8) × 10-38 cm2 GeV-1 no caso de ve e (0.5 ± 0.2) × 10-38 cm2 GeV-1 no caso de vμ.
Descobriu-se que as energias dos neutrinos estão na faixa entre 500 e 1700 GeV. Nenhuma medição da seção transversal de interação de neutrinos havia sido feita anteriormente em energias acima de 300 GeV no caso do νe e entre 400 GeV e 6 TeV no caso do νμ.
Os resultados obtidos pelo FASER, divulgados no arXiv servidor de pré-impressão, são consistentes com as expectativas e demonstram a capacidade do FASER de fazer medições da seção transversal de neutrinos no LHC. Com os dados completos do LHC Run 3, serão detectados 200 vezes mais eventos de neutrinos, permitindo medições muito mais precisas.