Fizicienii detectează pentru prima dată „particule fantomă” la LHC

O piatră de hotar majoră în a descoperi „particule fantomă” tocmai a fost făcută la acceleratorul Large Hadron Collider (LHC).

Neutrinii au fost detectați acum pentru prima dată, nu doar la LHC, ci în orice alt accelerator de particule, scrie Science Alert.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Cele șase interacțiuni de neutrini, detectate cu ajutorul subdetectorului de neutrini FASERnu, nu doar demonstrează fezabilitatea tehnologiei, ci deschid o nouă cale pentru studierea acestor particule fantomă, în special la energii înalte.

„Înainte de acest proiect, nicio urmă de neutrini nu a fost văzut vreodată la un accelerator de particule”, a declarat fizicianul Jonathan Feng de la Universitatea din California, participant la proiect.

„Această descoperire semnificativă este un pas către dezvoltarea unei înțelegeri mai profunde a acestor particule evazive și a rolului pe care îl joacă în Univers”,  a adăugat cercetătorul.

Neutrinii sunt de fapt peste tot. Sunt una dintre cele mai abundente particule subatomice din Univers; dar nu poartă nicio sarcină și au o masă aproape zero, așa că, deși trec prin Univers aproape cu viteza luminii, abia interacționează cu acesta.

Miliarde de particule fantomă trec prin noi în fiecare clipă

Miliarde dintre aceștia trec prin tine chiar acum. Pentru un neutrin, restul Universului este practic imaterial; de aceea sunt cunoscute și sub numele de particule fantomă.

Deși interacționează  destul rar, nu înseamnă că nu interacționează. Detectoare precum IceCube din Antarctica, Super-Kamiokande din Japonia și MiniBooNE de la Fermilab din Illinois folosesc rețele de fotodetectoare sensibile concepute pentru a capta ploile de lumină care apar atunci când un neutrin interacționează cu alte particule într-un mediu complet întunecat, de exemplu.

Dar de multă vreme, oamenii de știință au dorit să studieze și neutrinii produși la acceleratoarele de particule. Asta pentru că neutrinii de coliziune, care apar în primul rând din dezintegrarea hadronilor, sunt produși la energii foarte mari, care nu sunt foarte bine studiate. Detectarea neutrinilor de coliziune oferă acces la energii și tipuri de neutrini care sunt rareori văzute în altă parte.

FASERnu este ceea ce este cunoscut sub numele de detector de emulsie. Plăcile de plumb și tungsten sunt alternate cu straturi de emulsie: în timpul experimentelor cu particule la LHC, neutrinii se pot ciocni cu nucleele din plăcile de plumb și tungsten, producând particule care lasă urme în straturile de emulsie, un pic ca modul în care radiațiile ionizante lasă urme într-o cameră cloud Wilson.

Plăcile trebuie dezvoltate ca un film fotografic. Apoi fizicienii pot analiza urmele particulelor pentru a afla ce le-a produs – dacă a fost un neutrin și apoi care a fost tipul neutrinului. Există trei tipuri de neutrini – electroni, muoni și tau – și omologii lor, antineutrinii.

În cadrul testului pilot al FASERnu, desfășurat în 2018, șase interacțiuni ale neutrinilor au fost înregistrate în straturile de emulsie. S-ar putea să nu pară multe, având în vedere câte particule sunt produse într-o rulare la LHC, dar a oferit cercetătorilor două informații vitale.

„În primul rând, a verificat că poziția punctului de interacțiune ATLAS de la LHC este locația potrivită pentru detectarea neutrinilor de coliziune. În al doilea rând, eforturile noastre au demonstrat eficiența utilizării unui detector de emulsie pentru a observa aceste tipuri de interacțiuni cu neutrini”, a spus Feng.

Testele au fost făcute cu un aparat-pilot, încă se lucrează la versiunea completă

Detectorul pilot era un aparat relativ mic, având în jur de 29 de kilograme. Echipa lucrează în prezent la versiunea completă, care va avea în jur de 1.100 de kilograme. Acest instrument va fi semnificativ mai sensibil și va permite cercetătorilor să facă diferența între tipurile de neutrini și omologii lor, antineutrinii.

Ei se așteaptă ca a treia serie de observații făcute la Large Hadron Collider să producă 200 de miliarde de neutrini de electroni, 6 trilioane de neutrini muoni și 9 miliarde de neutrini tau și antineutrinii lor. Deoarece am detectat doar aproximativ 10 neutrini tau, în total, până în prezent, această observație va avea o importanță foarte mare.

Oamenii de știință urmăresc, de asemenea, o pradă și mai evazivă. Ei își pun speranțele pe o detectare a fotonilor întunecați, care sunt momentan ipotetici, dar care ar putea ajuta la dezvăluirea naturii materiei întunecate, a misterioasei mase nedetectabile în mod direct care alcătuiește cea mai mare parte a materiei din Univers.

Dar și doar detecțiile de neutrini reprezintă un pas înainte extraordinar de interesant pentru înțelegerea componentelor fundamentale ale Universului.

„Având în vedere puterea noului nostru detector și locația sa principală la CERN, ne așteptăm să putem înregistra peste 10.000 de interacțiuni cu neutrini în următoarea rulare a LHC, începând cu 2022”, a declarat fizicianul și astronomul David Casper de la Universitatea California, Irvine, participant la proiectul FASER.

„Vom detecta neutrinii cu cea mai mare energie care au fost produși vreodată dintr-o sursă creată de om”, a adăugat Casper.

Cercetarea echipei a fost publicată în Physical Review D.

Vă recomandăm să citiți și:

Erupție solară majoră. Soarele a trimis cantități masive de radiații spre Pământ

Dovezi ale vieții antice ar fi dispărut de pe Marte. NASA a dezvăluit cine ar fi fost „vinovatul”

Sonda spațială Voyager a detectat un sunet persistent dincolo de sistemul nostru solar

Materie organică esențială vieții pe Pământ, descoperită pentru prima oară pe suprafața unui asteroid