Нейтрино - это фундаментальные частицы, которые играли важную роль на ранней стадии развития Вселенной. Они являются ключом к тому, чтобы узнать больше о фундаментальных законах природы, в том числе о том, как частицы приобретают массу и почему материи больше, чем антивещества. Несмотря на то, что они являются одними из самых распространенных частиц во Вселенной, их очень трудно обнаружить, потому что они проходят сквозь материю почти без взаимодействия. Поэтому их часто называют "частицами-призраками".

Нейтрино известны уже несколько десятилетий и были очень важны для создания стандартной модели физики элементарных частиц. Но большинство нейтрино, изученных физиками до сих пор, были нейтрино низкой энергии. Ранее ни одно нейтрино, произведенное на коллайдере частиц, никогда не было обнаружено в ходе эксперимента. Теперь международной команде, включающей исследователей из Лаборатории физики высоких энергий (LHEP) Бернского университета, удалось сделать именно это. Используя детектор частиц FASER в ЦЕРНЕ в Женеве, команда смогла обнаружить нейтрино очень высокой энергии, произведенные совершенно новым источником: Большим адронным коллайдером Церна (БАК). Международное сотрудничество FASER объявило об этом результате 19 марта на МОРИОНД РЭБ конференция в Ла-Тюиле, Италия.

FASER позволяет исследовать нейтрино высокой энергии

Свойства нейтрино изучались в многочисленных экспериментах с момента их открытия в 1956 году Клайдом Л. Коуэном и Фредериком Рейнсом. Одним из ведущих экспериментов по изучению нейтрино является Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), строящийся в США. Бернский университет является ключевым спонсором. Эксперименты, подобные DUNE, являются универсальными и могут изучать многие свойства нейтрино из различных источников. Один аспект, который не охвачен, - это нейтрино с очень высокой энергией.

Самым высокоэнергетичным из доступных ускорителей является БАК в ЦЕРНЕ, где новые частицы образуются в результате столкновения двух пучков протонов с чрезвычайно высокой энергией. Однако нейтрино никогда не были обнаружены ни на одном коллайдере, потому что они ускользают от существующих детекторов на БАКЕ.

Чтобы восполнить этот пробел, был предложен эксперимент FASER. "В этом эксперименте мы измеряем нейтрино очень высокой энергии, производимые коллайдером БАК в ЦЕРНЕ. Цель состоит в том, чтобы изучить, как образуются эти нейтрино, каковы их свойства и искать сигналы новых частиц", - говорит Акитака Арига, руководитель группы FASER в Лаборатории физики высоких энергий Бернского университета (LHEP). LHEP является частью Физического института и Центра фундаментальной физики имени Альберта Эйнштейна (AEC). "Эксперимент FASER - это уникальная идея на стыке коллайдеров с самыми высокими энергиями и физики нейтрино. Часто при применении таких новых подходов делаются новые открытия", - говорит Мишель Вебер, директор LHEP Бернского университета.

Скрытая физика в нейтрино?

Для текущего наблюдения нейтрино в ходе эксперимента были получены данные на БАКЕ в 2022 году. Команда обнаружила 153 события, которые являются взаимодействиями нейтрино с чрезвычайно высокой степенью достоверности. Нейтрино, обнаруженные FASER, имеют самую высокую энергию, когда-либо полученную в лаборатории, и похожи на нейтрино, приходящие из глубокого космоса, которые вызывают впечатляющие потоки частиц в нашей атмосфере или на земле. Таким образом, они также являются важным инструментом для исследователей для лучшего понимания наблюдений в астрофизике элементарных частиц.

"Это достижение является исторической вехой для получения нового источника нейтрино с неизученными свойствами", - говорит Акитака Арига. Представленный результат - это только самое начало серии исследований. Эксперимент по сбору данных будет продолжаться до конца 2025 года. "В нейтрино в масштабе высоких энергий может быть скрытая физика", - говорит Акитака Арига.

Этот проект получил финансирование от Европейского исследовательского совета (ERC) в рамках программы исследований и инноваций Европейского союза "Горизонт 2020" (Грантовое соглашение № 101002690, FASERnu)