Физики впервые зарегистрировали нейтрино на Большом адронном коллайдере

Физики из коллаборации FASER, работающие на детекторе ATLAS, с помощью эмульсионного детектора впервые зарегистрировали нейтрино, рожденные в Большом адронном коллайдере. Экспериментаторы рассчитывают, что усовершенствованный вариант детектора, который начнет работу в 2022 году, позволит изучить взаимодействие всех трех типов нейтрино с другими частицами при энергиях, недоступных всем существующим детекторам. Исследование опубликовано в Physical Review D.

Нейтрино — одна из самых сложных для изучения частиц Стандартной модели. Дело в том, что все три аромата нейтрино участвуют только в гравитационных и слабых взаимодействиях, из-за чего они почти не рассеиваются на других частицах. Например, для нейтрино с энергией порядка одного мегаэлектронвольта характерная длина свободного пробега в твердом теле равна 10¹⁵ километра. Еще одной очень важной особенностью нейтрино является его очень маленькая масса: сумма масс всех трех ароматов нейтрино не превышает 0,26 электронвольт, а самое легкое из них должно быть менее 0,086 электронвольт, что на 6–7 порядков меньше массы электрона.

Среди известных экспериментов по изучению нейтрино можно упомянуть Super-Kamiokande, в котором исследуются взаимодействия космических нейтрино с частицами 50 тысяч тонн воды, и IceCube, в котором рабочим телом детектора является ледяной куб с длиной ребра один километр. Однако для изучения взаимодействия нейтрино с другими частицами в более широком диапазоне энергий еще с 80-х годов прошлого века ученые рассматривали возможность регистрации нейтрино, рожденных на ускорителях частиц.

В 2021 году коллаборация FASER, объединяющая 76 физиков из 21 института и 9 стран, работающая на детекторе ATLAS, представила результаты анализа данных, собранных в 2018 году. Анализ показал, что ученые впервые смогли зарегистрировать нейтрино, рожденные на Большом адронном коллайдере. Нейтрино с энергией около одного тераэлектронвольта рождались в распадах адронов — большей частью пионов, каонов и D-мезонов, — которые, в свою очередь, рождались в столкновениях протонов с суммарной энергией в системе центра масс, равной 13 тераэлектронвольт.

Физики регистрировали нейтрино с помощью эмульсионного детектора, расположенного в 480 метрах от точки столкновения протон-протонных пучков в детекторе ATLAS. Эмульсионный детектор состоял из двух модулей, в каждом из которых слои металла чередовались со слоями эмульсионной пленки. Нейтрино взаимодействовали с ядрами атомов металла, а частицы, родившиеся в результате взаимодействия, оставляли треки в эмульсионной пленке, которые и наблюдали экспериментаторы. Один модуль весил 14 килограмм и состоял из 101 одномиллимметрового слоя свинца и соответствующего числа слоев эмульсионной пленки, толщиной 0,3 миллиметра. Во втором модуле было 120 полумиллиметровых слоев вольфрама, а слои эмульсионной пленки имели ту же толщину, что и в первом модуле. Исследователи заявили о регистрации шести актов взаимодействия нейтрино с веществом со статистической значимостью 2,7 стандартных отклонения.

Проведенная исследователями работа является подготовкой к существенно более масштабному эксперименту, который ученые планируют провести с 2022 по 2024 год во время второго сезона работы Большого адронного коллайдера. Физики расчитывают, что за это время на ускорителе произойдет около одного триллиона случаев рождения нейтрино с характерной энергией, равной одному тераэлектронвольту, а зарегистрировать они смогут около 10 тысяч случаев взаимодействия этих нейтрино с веществом. Такой значительный рост числа пойманных нейтрино планируется за счет существенного увеличения детектора — его масса должна вырасти с 29 до 1090 килограмм. Ученые также считают, что смогут различать случаи взаимодействия всех трех типов нейтрино с веществом. Планируемый эксперимент позволит найти сечение взаимодействия нейтрино при энергиях, недоступных остальным нейтринным экспериментам.