Pour la première fois, des physiciens ont détecté des signes de neutrinos au Grand collisionneur de hadrons

Teach First au CERN Facility Preview pour la prochaine campagne de recherche de 3 ans.

L’équipe internationale d’expérimentation de recherche avancée, dirigée par des physiciens de l’Université de Californie à Irvine, a réalisé la toute première détection d’un neutrino candidat produit par le Large Hadron Collider à CERN Installation près de Genève, Suisse.

Dans un article de recherche publié dans la revue le 24 novembre 2021 examen physique dEn 2018, les chercheurs décrivent comment ils ont observé six interactions de neutrinos lors d’un essai expérimental d’un détecteur d’émulsion sous pression installé au LHC en 2018.

« Avant ce projet, il n’y avait aucun signe de neutrinos dans le collisionneur de particules », a déclaré le co-auteur Jonathan Feng, professeur émérite de physique et d’astronomie à l’UCI et co-responsable de la collaboration FASER. « Cette percée importante est une étape vers le développement d’une compréhension plus profonde de ces particules insaisissables et du rôle qu’elles jouent dans l’univers. »

Il a déclaré que la découverte faite pendant le pilote avait donné à son équipe deux informations importantes.

Le détecteur de particules FASER approuvé par le CERN qui sera installé sur le Grand collisionneur de hadrons en 2019 a récemment été amélioré avec un détecteur de neutrinos. L’équipe FASER dirigée par l’UCI a utilisé un détecteur plus petit du même type en 2018 pour faire les premières observations des particules insaisissables générées au collisionneur. Les chercheurs ont déclaré que le nouvel instrument sera capable de détecter des milliers d’interactions de neutrinos au cours des trois prochaines années. Source de l’image : CERN

« Tout d’abord, vérifiez que la position avancée du point d’interaction ATLAS dans le LHC est le bon emplacement pour détecter les neutrinos du collisionneur », a déclaré Feng. « Deuxièmement, nos efforts ont démontré l’efficacité de l’utilisation d’un détecteur d’émulsion pour surveiller ces types d’interactions de neutrinos. »

L’instrument expérimental était composé de plaques de plomb et de tungstène alternant avec des couches d’émulsion. Lors des collisions de particules dans le LHC, certains neutrinos se sont écrasés dans les noyaux métalliques denses, créant des particules qui traversent les couches de l’émulsion et créent des marques visibles après traitement. Ces inscriptions fournissent des indices sur les énergies et les saveurs de la particule – tau, muon ou électron – et s’il s’agit de neutrinos ou d’antineutrinos.

Selon Feng, l’émulsion fonctionne de la même manière que la photographie à l’ère de l’appareil photo numérique. Lorsqu’un film 35 mm est exposé à la lumière, les photons laissent des traînées qui apparaissent sous forme de motifs au fur et à mesure du développement du film. Les chercheurs de FASER ont également pu observer les interactions des neutrinos après le retrait et le développement des couches d’émulsion du détecteur.

« Après avoir vérifié l’efficacité de l’approche du détecteur d’émulsion dans l’observation des interactions des neutrinos générés par le collisionneur de particules, l’équipe FASER met maintenant en place une nouvelle série d’expériences avec un instrument complet beaucoup plus grand et nettement plus sensible », a déclaré Feng. .

L’expérience FASER est située à 480 mètres du point d’interaction Atlas au Grand collisionneur de hadrons. Selon Jonathan Feng, professeur émérite de physique et d’astronomie à l’UCI et co-responsable de la collaboration FASER, il s’agit d’un bon site pour détecter les neutrinos provenant de collisions de particules dans l’installation. Source de l’image : CERN

Depuis 2019, lui et ses collègues se préparent à mener une expérience utilisant les instruments FASER pour examiner la matière noire du LHC. Ils espèrent découvrir des photons noirs, ce qui donnera aux chercheurs un premier aperçu de la façon dont la matière noire interagit avec les atomes naturels et d’autres matières dans l’univers par le biais de forces autres que la gravité.

Forte du succès de leurs travaux sur les neutrinos au cours des dernières années, l’équipe FASER – composée de 76 physiciens de 21 institutions dans 9 pays – a combiné un nouveau détecteur d’émulsion avec l’instrument FASER. Alors que le détecteur expérimental pèse environ 64 livres, l’instrument FASERnu pèsera plus de 2 400 livres et sera plus réactif et capable de distinguer les types de neutrinos.

a déclaré le co-auteur David Kasper, co-responsable du projet FASER et professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’UCI. « Nous découvrirons les neutrinos les plus énergétiques qui ont été produits à partir d’une source artificielle. »

Ce qui rend FASERnu unique, a-t-il déclaré, c’est que si d’autres expériences ont pu distinguer un ou deux types de neutrinos, elles seront capables d’observer les trois saveurs ainsi que leurs homologues antineutrinos. Casper a déclaré qu’il n’y avait eu qu’une dizaine d’observations de neutrinos tau dans toute l’histoire de l’humanité, mais il s’attend à ce que son équipe soit en mesure de doubler ou tripler ce nombre au cours des trois prochaines années.

« Il s’agit d’un lien incroyablement fascinant avec la tradition du département de physique ici à l’UCI », a déclaré Feng, qui perpétue l’héritage de Frederick Raines, membre fondateur du corps professoral de l’UCI qui a remporté le prix Nobel de physique pour avoir été le premier à découvrir neutrinos. « 

« Nous avons produit une expérience de classe mondiale dans le premier laboratoire de physique des particules au monde en un temps record et avec des ressources très peu conventionnelles », a déclaré Casper. « Nous avons une énorme dette de gratitude envers la Fondation Heising-Simons et la Fondation Simons, ainsi que la Société japonaise pour la promotion de la science et le CERN, qui nous ont généreusement soutenus. »

Référence : « Les premiers candidats à l’interaction des neutrinos dans le LHC » par Henso Abreu et al. (Collaboration FASER), 24 novembre 2021, disponible ici. examen physique d.
DOI : 10.1103/PhysRevD.104.L091101

Savannah Shivley et Jason Arakawa, Ph.D. de l’UCLA. Des étudiants en physique et en astronomie ont également contribué à la recherche.