Epokgörande upptäckt vid Cern i Genève: för första gången har forskarna kunnat observera samspelet mellan neutrinos, de mest "svårfångade" partiklarna i universum
Large Hadron Collider (LHC) är världens största och mest kraftfulla partikelaccelerator: LHC var bland annat ansvarig för den betydelsefulla upptäckten av Higgsbosonen, den så kallade gudspartikeln, som upptäcktes vid Cern i Genève 2012. I dag befinner sig forskare som arbetar med analys av partikelacceleration vid en vändpunkt som kan bli lika epokgörande: för första gången i historien har neutrinointeraktioner upptäckts.
De första neutrinospåren
Studien, som publiceras i tidskriften Physical Review D, illustrerar resultaten av observationer som utförts under de senaste tre åren inom ramen för det vetenskapliga programmet för Large Hadron Collider. FASER-experimentet (Forward Search Experiment), som leds av University of California, inleddes 2018 och syftar till att söka efter nya ultralätta partiklar och analysera interaktionen mellan "accelererande" neutriner.
När det gäller subatomära partiklar är neutriner särskilt komplicerade att studera, eftersom deras elektriska laddning är noll, vilket innebär att deras möjligheter till interaktion med resten av materien är mycket begränsade.
I partikelfysiken sägs det att det skulle krävas en osannolik "ljusårstjock blyvägg" för att fånga upp hälften av de neutriner som passerar genom materia: det experiment som har pågått under de senaste tre åren vid Cern har använt partikelacceleratorn, men har faktiskt också inneburit lager av bly och volfram och en kärnemulsion.
De 27 kilometer långa supraledande magneterna som utgör LHC:s ring kan få subatomära partiklar att färdas med hastigheter nära ljusets hastighet, vilket gör det möjligt att observera effekterna av kollisioner mellan atomer. Bland dessa effekter finns möjligheten att ultralätta partiklar uppstår vid kollisioner, som sedan kan studeras - ofta för första gången.
Detta skedde med Higgsbosonen och är nu fallet med neutrino, den minst kända och mest komplexa elementarpartikeln att undersöka, som har observerats för första gången.
Faser-experimentet
Under kollisioner i Cerns partikelaccelerator kolliderar en del av de neutriner som produceras av kollisionerna med metallkärnorna i den nukleära emulsionsdetektorn i experimentets centrum.
Det är faktiskt tack vare en "blyvägg" som neutrinerna blir synliga: neutrinerna har uppstått genom kollisioner med bly- och volframkärnor och deras resa genom lager av kärnemulsion har lämnat spår efter sig, vilket ger forskarna möjlighet att observera den för första gången.
Sex neutrinointeraktioner observerades under experimentet, vilket inte bara är ett stort genombrott som kommer att göra det möjligt för oss att bättre förstå universums natur, utan också visar på effektiviteten hos de instrument som testats för FASER-experimentet. "Detta viktiga genombrott", säger Jonathan Feng, medförfattare till studien, "är ett steg mot att utveckla en djupare förståelse för dessa svårfångade partiklar och den roll de spelar i universum".
För FASER-projektet hade inga tecken på neutriner någonsin upptäckts i en partikelkolliderare. Vi befinner oss därför bara i början av en ny riktning i vår förståelse av de elementarpartiklar som utgör vårt universum.
Från och med 2022 förväntas FASERν, en ny kärnemulsionsdetektor som är mycket större och känsligare än den som ledde till denna viktiga upptäckt, tas i drift och kommer enligt forskarna att kunna "registrera mer än 10 000 neutrinointeraktioner" redan under nästa experiment.