LHC’de nötrinoları yakalamak

Illustration of a neutrino in a fly trap

CERN fizikçisi Jamie Boyd, dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısında bir deney olan ATLAS dedektörüne yakın bir tünele girer. Oradan TI12 olarak adlandırılan bir yeraltı alanına dönüşüyor.

Boyd, “Bu çok özel bir tünel” diyor, “çünkü burası Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndan önce Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı için eski transfer hattının var olduğu yerdi.” LHC yapıldıktan sonra yeni bir transfer hattı eklendi ve “bu tünel daha sonra terk edildi”.

Tünel artık terk edilmedi. Yeni sakini, komşu ATLAS dedektöründen çok daha mütevazı bir deneydir. Beş metre uzunluğundaki İleri Arama Deneyi veya FASER dedektörü, alçak korkuluklar ve kablolarla çevrili, zeminde kazılmış sığ bir hendekte yer alır.

FASER’ın eş sözcüsü olarak görev yapan Boyd da dahil olmak üzere bilim adamları, 2021’de nispeten küçük dedektörü kurdular. Nisan ayında LHC’yi yeniden başlatmadan hemen önce, fizikçiler, Scattering and Neutrino Detector veya SND@LHC adlı başka bir küçük deneyi uyduya yerleştirdiler. ATLAS’ın diğer yüzü.

Her iki dedektör de şu anda çalışıyor ve veri toplamaya başladı. Bilim adamları, iki dedektörün, LHC’nin dört ana dedektörünün göremediği parçacıkları yakalamak ve incelemek için yeni bir çabanın başlangıcını temsil etmesini umduklarını söylüyorlar.

Görünürde saklanmak

Hem FASER hem de SND@LHC, nötrino adı verilen parçacıkları algılar. Nötronlarla (kuarklardan oluşan atom çekirdeğindeki parçacıklar) karıştırılmaması için nötrinolar daha küçük bileşenlere bölünemezler. Kuarklar, elektronlar, müonlar ve taus ile birlikte nötrinolar, Fiziğin Standart Modelinde maddenin temel parçacıklarıdır.

Bu hafif, nötr parçacıklar galakside bol miktarda bulunur. Bazıları Büyük Patlama’dan beri var; diğerleri, kozmik ışınlar Dünya’nın atmosferini oluşturan atomlara çarptığında meydana gelenler gibi parçacık çarpışmalarında üretilir. Her saniye, nötrinolar iz bırakmadan trilyonlarca içimizden geçerler – çünkü diğer maddelerle nadiren etkileşime girerler.

Nötrinolar ayrıca LHC’deki çarpışmalarda üretilir. Bilim adamları onların varlığının farkındalar, ancak on yıldan fazla bir süredir LHC fiziği için nötrinolar tespit edilmedi, çünkü ATLAS, CMS, LHCb ve ALICE dedektörleri diğer parçacık türleri düşünülerek tasarlandı.

ABD Enerji Bakanlığı’nın Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda kıdemli bir bilim adamı olan Milind Diwan, en büyük dört LHC deneyinin nötrinoları doğrudan tespit edemediğini söylüyor. Diwan, Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nın ev sahipliği yaptığı Derin Yeraltı Nötrino Deneyi’nin özgün bir savunucusu ve sözcüsüydü.

2021’de FASER, LHC’de veya herhangi bir parçacık çarpıştırıcısında nötrinoları yakalayan ilk dedektör oldu.

Nötrinolara bakmanın yeni bir yolu

Nötrinolar parçacık dünyasının bukalemunlarıdır. Kendileriyle ilişkili parçacıklar için müon, elektron ve tau nötrinoları olarak adlandırılan üç aromada gelirler. Evrende neredeyse ışık hızında seyahat ederken, nötrinolar üç tat arasında geçiş yapar. Hem FASER hem de SND@LHC, nötrinoların üç çeşidini de algılayabilir.

Dedektörler, içinden geçen nötrinoların yalnızca küçük bir kısmını yakalayacaktır, ancak LHC’nin yüksek enerjili çarpışmaları, şaşırtıcı sayıda parçacık üretmelidir. Örneğin, 2025’in sonuna kadar sürecek olan LHC’nin mevcut çalışması sırasında fizikçiler, FASER ve FASER adlı yeni alt dedektörünü tahmin ediyor.v (FASERnu olarak telaffuz edilir), her bir aromanın karşılaştırılabilir sayıda anti-nötrinosu ile birlikte 200 milyar elektron nötrino, 6 trilyon müon nötrino ve 4 milyar tau nötrino akışı yaşayacaktır.

FASER işbirliğinin eş sözcüsü Jonathan Feng, “Şimdi LHC’de ilk kez binlerce nötrino göreceğimiz garantili” diyor.

FASER proje lideri Tomoko Ariga, bu nötrinoların insan yapımı bir kaynaktan şimdiye kadar görülen en yüksek enerjilerde olacağını söylüyor.vDaha önce DONUT nötrino deneyinde çalışmış olan. “Böyle aşırı enerjilerde, FASERv nötrino özelliklerini yeni yollarla araştırabilecektir.”

Hem SND@LHC hem de OPERA nötrino deneyinin sözcüsü Giovanni De Lellis, deneylerin diğer parçacıkları da incelemek için yeni bir yol sağlayacağını söylüyor.

SND@LHC’nin erişebildiği aralıkta üretilen nötrinoların büyük bir kısmı tılsım kuarklarından oluşan parçacıkların bozunmasından geleceğinden, SND@LHC, diğer LHC deneylerinin keşfedemeyeceği bir bölgede tılsım-kuark parçacık üretimini incelemek için kullanılabilir. . Bu, hem gelecekteki çarpıştırıcılarda çarpışmaları inceleyen fizikçilere hem de astrofiziksel kaynaklardan nötrinoları inceleyen fizikçilere yardımcı olacaktır.

Diwan, FASER ve SND@LHC’nin karanlık maddeyi tespit etmek için de kullanılabileceğini söylüyor. LHC’deki çarpışmalarda karanlık madde parçacıkları üretilirse, ışın çizgisi boyunca ATLAS dedektöründen FASER ve SND@LHC’ye doğru kayabilirler.

Gelecek için bir teklif

Bu deneyler sadece başlangıç ​​olabilir. Fizikçiler, ATLAS dedektörünün yakınında inşa edilecek FASER ve SND@LHC dedektörlerinin gelişmiş sürümleri dahil olmak üzere beş deney daha önerdiler. Deneyler—FASERv2, Advanced SND, FASER2, FORMOSA ve FLArE—LHC’nin bir sonraki aşaması olan Yüksek Parlaklıklı LHC sırasında önerilen bir İleri Fizik Tesisinde yer alabilir.

Gelişmiş FASERv ve SND@LHC dedektörleri, deneylerin nötrino tespitini 100 kat artıracağını söylüyor Feng. “Bu, örneğin, onlarca tau nötrino yerine binlercesini tespit edecekleri, tau nötrinolarını anti-tau nötrinolarından ayırmamıza ve bu ikisinin kesinlik çalışmalarını ilk kez bağımsız olarak yapmamıza izin verecekleri anlamına geliyor.”

Nötrinoları FASER ve SND@LHC’den farklı bir şekilde tespit edecek olan FLArE deneyi, açık renkli karanlık maddeye de duyarlı olabilir.

Önerilen gelecekteki deneyler olmasa bile, bilim adamları LHC’deki çalışmalarından nötrinolar hakkında daha fazla şey öğrenmeye hazırlar. FAZERv ve SND@LHC zaten fizik verilerini almaya başladı ve 2023’te yeni sonuçlar sunması bekleniyor.

Feng, “Nötrinolar harika” diyor. “İster nükleer reaktör, ister güneş veya atmosfer olsun, onlara yeni bir kaynaktan her baktığımızda yeni bir şey öğreniyoruz. Doğanın ne gibi sürprizler hazırladığını görmek için sabırsızlanıyorum.”