تم اتخاذ خطوة كبيرة إلى الأمام في فيزياء الجسيمات مع مصادم الهادرونات الكبير (LHC).
لأول مرة المرشح النيوترينوات تم الكشف عنها ، ليس فقط في LHC ، ولكن في الكل مصادم الجسيمات.
تفاعلات النيوترينو الستة ، التي تم اكتشافها باستخدام كاشف FASERnu للنيوترينو الفرعي ، لم تثبت فقط جدوى التكنولوجيا ، ولكنها تفتح طريقًا جديدًا لدراسة هذه الجسيمات الغامضة ، خاصة عند الطاقة العالية.
“قبل هذا المشروع ، لم تُلاحظ أبدًا أي علامة على وجود نيوترينوات في مصادم الجسيمات” ، قال الفيزيائي جوناثان فنغ من جامعة كاليفورنيا في إيرفين ، الرئيس المشارك لتعاون FASER.
“هذا الاختراق الهام هو خطوة نحو تطوير فهم أعمق لهذه الجسيمات المراوغة والدور الذي تلعبه في الكون.”
في الواقع ، توجد النيوترينوات في كل مكان. إنها واحدة من أكثر الجسيمات دون الذرية وفرة في الكون. لكنها لا تحمل أي شحنة ولديها كتلة تقريبًا صفرية ، لذلك على الرغم من مرورها عبر الكون بسرعة الضوء تقريبًا ، إلا أنها بالكاد تتفاعل معه. المليارات من الأشياء تمر من خلالك الآن. بالنسبة للنيوترينو ، فإن بقية الكون غير مادية في الأساس ؛ لهذا السبب تُعرف أيضًا باسم جسيمات الأشباح.
على الرغم من أنهم نادرًا ما يتفاعلون ، إلا أنه ليس كما كان دائمًا. كاشفات مثل مكعب ثلج في القارة القطبية الجنوبية ، سوبر كاميوكاندي في اليابان و ميني بون في Fermilab في إلينوي ، استخدم مصفوفات كاشف ضوئي حساسة مصممة لالتقاط زخات الضوء التي تظهر عندما يتفاعل النيوترينو مع جزيئات أخرى في بيئة مظلمة تمامًا ، على سبيل المثال.
لكن لفترة طويلة ، أراد العلماء أيضًا دراسة النيوترينوات المنتجة في مصادمات الجسيمات. وذلك لأن نيوترينوات المصادم ، التي تظهر بشكل أساسي من اضمحلال الهادرونات ، يتم إنتاجها بطاقات عالية جدًا ، والتي لم تتم دراستها جيدًا. يوفر الكشف عن نيوترينوات المصادم الوصول إلى الطاقات وأنواع النيوترينوات التي نادرًا ما تُرى في أي مكان آخر.
FASERnu هو ما نسميه ملف كاشف المستحلب. تتبادل ألواح الرصاص والتنغستن مع طبقات المستحلب: أثناء تجارب جزيئات LHC ، يمكن أن تصطدم النيوترينوات مع نوى في صفائح الرصاص والتنغستن ، مما ينتج عنه جزيئات تترك آثارًا فيها. غرفة الضباب.
يجب تطوير اللوحات مثل فيلم فوتوغرافي. بعد ذلك ، يمكن للفيزيائيين تحليل مسارات الجسيمات لمعرفة ما أنتجها ؛ إذا كان نيوترينوًا ، فما هي “نكهة” أو نوع النيوترينو. هناك ثلاث نكهات من النيوترينوات – الإلكترون ، والميون ، والتاو – بالإضافة إلى نظائرها من مضادات النيترينو.
في اختبار FASERnu التجريبي لعام 2018 ، تم تسجيل ستة تفاعلات نيوترينو مرشحة في طبقات المستحلب. قد لا يبدو هذا كثيرًا ، نظرًا لعدد الجسيمات التي يتم إنتاجها أثناء اختبار LHC ، لكنه أعطى التعاون قطعتين مهمتين من المعلومات.
“أولاً ، تحقق من أن الموضع الذي يسبق نقطة تفاعل ATLAS في LHC هو الموقع الصحيح لاكتشاف نيوترينوات المصادم” ، قال فنغ. “ثانيًا ، أظهرت جهودنا فعالية استخدام كاشف المستحلب لمراقبة هذه الأنواع من تفاعلات النيوترينو.”
كان الكاشف التجريبي جهازًا صغيرًا نسبيًا ، ويزن حوالي 29 كيلوجرامًا (64 رطلاً). يعمل الفريق حاليًا على النسخة الكاملة ، حوالي 1100 كيلوغرام (أكثر من 2400 رطل). ستكون هذه الأداة أكثر حساسية بشكل ملحوظ وستسمح للباحثين بالتمييز بين نكهات النيوترينو ونكهات مضادات النيترينو.
ويتوقعون أن المجموعة الثالثة من الملاحظات من مصادم الهادرونات الكبير تنتج 200 مليار نيوترينوات إلكترونية ، و 6 تريليون نيوترينوات ميونية ، و 9 مليارات نيوترينوات تاو ، ومضادات نيوترينواتها. نظرًا لأننا اكتشفنا فقط حوالي عشرة نيوترينوات تاو ، في المجموع ، ستكون هذه مشكلة كبيرة حتى الآن.
يستهدف التعاون أيضًا فريسة أكثر مراوغة. يبنون آمالهم على الكشف عن الفوتونات المظلمة، والتي تعتبر حاليًا افتراضية ، ولكنها قد تساعد في الكشف عن طبيعة مادة سوداء، الكتلة الغامضة التي لا يمكن اكتشافها مباشرة والتي تشكل الجزء الأكبر من مادة الكون.
لكن اكتشافات النيوترينو وحدها هي خطوة مثيرة للغاية إلى الأمام لفهمنا للمكونات الأساسية للكون.
“نظرًا لقوة كاشفنا الجديد وموقعه المميز في CERN ، نأمل أن نتمكن من تسجيل أكثر من 10000 تفاعل نيوترينو خلال عملية LHC التالية ، بدءًا من عام 2022” قال الفيزيائي والفلكي ديفيد كاسبر من جامعة كاليفورنيا ، إيرفين ، الرئيس المشارك لمشروع FASER.
“سنكتشف النيوترينوات الأكثر نشاطًا التي تم إنتاجها من مصدر اصطناعي على الإطلاق.”
تم نشر بحث الفريق في الفحص البدني د.
