Een ander doel van het experiment is het bestuderen van de interacties van hoogenergetische neutrino's die worden geproduceerd bij de LHC-botsingen, deeltjes die vrijwel onmogelijk te detecteren zijn in de vier grote LHC-experimenten. Vorige week presenteerde de FASER-samenwerking op de jaarlijkse Rencontres de Moriond-conferentie een meting van de interactiesterkte, of "dwarsdoorsnede", van elektronenneutrino's (ν_e ) en muon-neutrino's (ν_μ ).

Het is de eerste keer dat een dergelijke meting is uitgevoerd bij een deeltjesbotser. Dit soort metingen kunnen belangrijke inzichten opleveren over verschillende aspecten van de natuurkunde, van het begrijpen van de productie van ‘voorwaartse’ deeltjes in de LHC-botsingen en het verbeteren van ons begrip van de structuur van het proton tot het interpreteren van metingen van hoogenergetische neutrino’s uit astrofysische bronnen uitgevoerd door experimenten met neutrinotelescopen.

FASER bevindt zich in een zijtunnel van de LHC-versneller, op 480 meter afstand van het botsingspunt van de ATLAS-detector. Op die locatie bevindt de LHC-straal zich al op bijna 10 meter afstand en buigt hij weg op zijn cirkelvormige pad van 27 kilometer. Dit is een unieke locatie voor het bestuderen van zwak interacterende deeltjes die ontstaan ​​bij de LHC-botsingen.

Geladen deeltjes die bij de botsingen worden geproduceerd, worden afgebogen door de LHC-magneten. De meeste neutrale deeltjes worden tegengehouden door de honderden meters rots tussen FASER en ATLAS. Alleen zeer zwak op elkaar inwerkende neutrale deeltjes zoals neutrino's zullen naar verwachting rechtdoor gaan en de locatie bereiken waar de detector is geïnstalleerd.

De kans dat een neutrino interageert met materie is erg klein, maar niet nul. Het type interactie waarvoor FASER gevoelig is, is de interactie tussen een neutrino en een proton of een neutron in de detector. Bij deze interactie verandert het neutrino in een geladen ‘lepton’ van dezelfde familie – een elektron in het geval van een ν_e , en een muon in het geval van een ν_μ —wat zichtbaar is in de detector. Als de energie van het neutrino hoog is, worden bij de botsing ook verschillende andere deeltjes geproduceerd.

De detector die wordt gebruikt om de meting uit te voeren, bestaat uit 730 verweven wolfraamplaten en fotografische emulsieplaten. De emulsie werd in de periode van 26 juli tot en met 13 september 2022 blootgesteld en vervolgens chemisch ontwikkeld en geanalyseerd op zoek naar sporen van geladen deeltjes.

Kandidaten voor neutrino-interacties werden geïdentificeerd door te zoeken naar clusters van sporen die terug te voeren waren op een enkel hoekpunt. Eén van deze sporen moest vervolgens worden geïdentificeerd als een hoogenergetisch elektron of muon.

In totaal vier kandidaten voor een ν_e interactie en acht kandidaten voor een ν_μ interactie gevonden. De vier ν_e kandidaten vertegenwoordigen de eerste directe observatie van elektronenneutrino's geproduceerd bij een botsing. De waarnemingen kunnen worden geïnterpreteerd als metingen van dwarsdoorsneden van neutrino-interacties, wat (1,2 ^+0,9 _−0,8 ) ×10 ⁻³⁸ cm ² GeV ⁻¹ in het geval van de ν_e en (0,5 ± 0,2) × 10 ⁻³⁸ cm ² GeV ⁻¹ in het geval van de ν_μ .

De energieën van de neutrino's bleken in een bereik tussen 500 en 1700 GeV te liggen. Er was nog geen meting van de dwarsdoorsnede van de neutrino-interactie uitgevoerd bij energieën boven 300 GeV in het geval van de ν_e en tussen 400 GeV en 6 TeV in het geval van de ν_μ .

De resultaten verkregen door FASER, gepost op de arXiv preprint-server, komen overeen met de verwachtingen en demonstreren het vermogen van FASER om neutrino-dwarsdoorsnedemetingen uit te voeren bij de LHC. Met de volledige LHC Run 3-gegevens zullen 200 keer meer neutrinogebeurtenissen worden gedetecteerd, waardoor veel nauwkeurigere metingen mogelijk zijn.

Meer informatie: Eerste meting van de v_e en ν_μ Interactie dwarsdoorsneden bij de LHC met FASER's emulsiedetector, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.12520

Journaalinformatie: arXiv

Geleverd door CERN