FASER วัดความแรงอันตรกิริยาของนิวตริโนพลังงานสูง

การทดลอง FASER ดำเนินการที่ Large Hadron Collider (LHC) ของ CERN ตั้งแต่ปี 2022 ออกแบบมาเพื่อค้นหาอนุภาคที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบน้อยมาก อนุภาคดังกล่าวถูกทำนายโดยทฤษฎีมากมายที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งพยายามแก้ไขปัญหาสำคัญทางฟิสิกส์ เช่น ธรรมชาติของสสารมืด และความไม่สมดุลของสสาร-ปฏิสสารในจักรวาล

เป้าหมายอีกประการหนึ่งของการทดลองคือการศึกษาอันตรกิริยาของนิวทริโนพลังงานสูงที่เกิดจากการชนของ LHC ซึ่งเป็นอนุภาคที่แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะตรวจพบในการทดลอง LHC ใหญ่ทั้งสี่ครั้ง สัปดาห์ที่แล้ว ในการประชุม Rencontres de Moriond ประจำปี การทำงานร่วมกันของ FASER นำเสนอการวัดความแข็งแกร่งของปฏิสัมพันธ์หรือ "ภาพตัดขวาง" ของนิวตริโนอิเล็กตรอน (ν_e) และมิวออนนิวตริโน (ν_μ).

นี่เป็นครั้งแรกที่มีการวัดผลที่เครื่องชนอนุภาค การวัดประเภทนี้สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญในแง่มุมต่างๆ ของฟิสิกส์ ตั้งแต่การทำความเข้าใจการผลิตอนุภาค "ไปข้างหน้า" ในการชนของ LHC และการปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโครงสร้างของโปรตอน ไปจนถึงการตีความการวัดนิวตริโนพลังงานสูงจากแหล่งทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ดำเนินการโดย การทดลองกล้องโทรทรรศน์นิวตริโน

FASER ตั้งอยู่ในอุโมงค์ด้านข้างของเครื่องเร่งความเร็ว LHC ซึ่งอยู่ห่างจากจุดชนของเครื่องตรวจจับ ATLAS 480 เมตร ณ ตำแหน่งนั้น ลำแสง LHC อยู่ห่างออกไปเกือบ 10 เมตร และเบนออกไปตามเส้นทางวงกลมระยะทาง 27 กิโลเมตร นี่เป็นสถานที่พิเศษในการศึกษาอนุภาคที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบน้อยที่เกิดจากการชนของ LHC

อนุภาคที่มีประจุที่เกิดจากการชนจะถูกเบี่ยงเบนโดยแม่เหล็ก LHC อนุภาคที่เป็นกลางส่วนใหญ่ถูกหยุดด้วยหินสูงหลายร้อยเมตรระหว่าง FASER และ ATLAS มีเพียงอนุภาคที่เป็นกลางที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบน้อยมาก เช่น นิวตริโน เท่านั้นที่คาดว่าจะดำเนินต่อไปในแนวตรงและไปถึงตำแหน่งที่ติดตั้งเครื่องตรวจจับไว้

ความน่าจะเป็นที่นิวตริโนจะมีปฏิกิริยากับสสารนั้นมีน้อยมาก แต่ก็ไม่เป็นศูนย์ ประเภทของอันตรกิริยาที่ FASER มีความไวต่อคือจุดที่นิวตริโนมีปฏิกิริยากับโปรตอนหรือนิวตรอนภายในเครื่องตรวจจับ ในการโต้ตอบนี้ นิวตริโนจะแปลงร่างเป็น “เลปตัน” ที่มีประจุในตระกูลเดียวกัน—อิเล็กตรอนในกรณีของ ν_eและมิวออนในกรณีของ ν_μ- ซึ่งมองเห็นได้ในเครื่องตรวจจับ หากพลังงานของนิวตริโนสูง อนุภาคอื่นๆ อีกหลายตัวก็จะเกิดขึ้นในการชนเช่นกัน

เครื่องตรวจจับที่ใช้ในการวัดประกอบด้วยแผ่นทังสเตนแบบแทรก 730 แผ่นและแผ่นอิมัลชันแบบถ่ายภาพ อิมัลชันถูกเปิดเผยในช่วงระหว่างวันที่ 26 กรกฎาคม ถึง 13 กันยายน พ.ศ. 2022 จากนั้นจึงพัฒนาและวิเคราะห์ทางเคมีเพื่อค้นหาแทร็กอนุภาคที่มีประจุ

ผู้สมัครสำหรับปฏิกิริยาระหว่างนิวตริโนถูกระบุโดยการค้นหากลุ่มของรอยทางที่สามารถย้อนกลับไปที่จุดยอดเดียวได้ หนึ่งในเส้นทางเหล่านี้ต้องถูกระบุว่าเป็นอิเล็กตรอนหรือมิวออนพลังงานสูง

โดยรวมแล้วมีผู้สมัครสี่คนสำหรับ ν_e การโต้ตอบและผู้สมัครแปดคนสำหรับ ν_μ พบปฏิสัมพันธ์แล้ว สี่ ν_e ผู้สมัครเป็นตัวแทนของการสังเกตโดยตรงครั้งแรกของอิเล็กตรอนนิวตริโนที่เกิดขึ้นที่เครื่องชนกัน การสังเกตสามารถตีความได้ว่าเป็นการวัดส่วนตัดขวางอันตรกิริยาของนิวตริโน โดยให้ผล (1.2^+0.9_-0.8) ×10^-38 cm² จีวี^-1 ในกรณีของ ν_e และ (0.5 ± 0.2) × 10^-38 cm² จีวี^-1 ในกรณีของ ν_μ.

พลังงานของนิวตริโนพบว่าอยู่ในช่วงระหว่าง 500 ถึง 1700 GeV ก่อนหน้านี้ไม่มีการวัดส่วนตัดขวางอันตรกิริยาของนิวตริโนที่พลังงานสูงกว่า 300 GeV ในกรณีของ ν_e และระหว่าง 400 GeV ถึง 6 TeV ในกรณีของ ν_μ.

ผลลัพธ์ที่ได้รับจาก FASER ซึ่งโพสต์ไปที่ arXiv เซิร์ฟเวอร์ก่อนการพิมพ์สอดคล้องกับความคาดหวังและแสดงให้เห็นถึงความสามารถของ FASER ในการวัดค่าภาคตัดขวางของนิวตริโนที่ LHC ด้วยข้อมูล LHC Run 3 เต็มรูปแบบ จะสามารถตรวจพบเหตุการณ์นิวตริโนได้มากขึ้น 200 เท่า ช่วยให้ตรวจวัดได้แม่นยำยิ่งขึ้น