Przełomowe odkrycie w Cern w Genewie: po raz pierwszy naukowcy byli w stanie zaobserwować oddziaływanie neutrin, najbardziej "nieuchwytnych" cząstek we wszechświecie
Duży Zderzacz Hadronów (LHC) to największy i najpotężniejszy akcelerator cząstek na świecie: LHC był między innymi odpowiedzialny za doniosłe odkrycie bozonu Higgsa, tak zwanej cząstki Boga, który został wykryty w Cern w Genewie w 2012 roku. Dziś naukowcy zajmujący się analizą przyspieszania cząstek znajdują się w punkcie zwrotnym, który może być równie epokowy: po raz pierwszy w historii wykryto oddziaływania neutrin.
Pierwsze ślady neutrin
Badania, opublikowane w czasopiśmie Physical Review D, ilustrują wyniki obserwacji prowadzonych przez ostatnie trzy lata w ramach programu naukowego Wielkiego Zderzacza Hadronów. Eksperyment FASER (Forward Search Experiment), prowadzony przez Uniwersytet Kalifornijski, rozpoczął się w 2018 roku: jego celem jest poszukiwanie nowych ultralekkich cząstek i analiza oddziaływań "przyspieszających" neutrin.
Wśród cząstek subatomowych neutrino jest szczególnie skomplikowane do badania, ponieważ jego ładunek elektryczny wynosi zero, więc jego możliwości oddziaływania z resztą materii są bardzo ograniczone.
W fizyce cząstek elementarnych mówi się, że przechwycenie połowy neutrin, które przechodzą przez materię, wymagałoby nieprawdopodobnej "ściany ołowiu o grubości roku świetlnego": eksperyment, który trwa od trzech lat w Cern, wykorzystuje akcelerator cząstek, ale w rzeczywistości obejmuje również warstwy ołowiu i wolframu oraz emulsję jądrową.
27 kilometrów magnesów nadprzewodzących, które tworzą pierścień LHC, jest w stanie sprawić, że cząstki subatomowe poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła, co pozwala obserwować efekty zderzeń między atomami. Wśród tych efektów jest możliwość pojawienia się ultralekkich cząstek powstających w wyniku zderzeń, które mogą być następnie badane - często po raz pierwszy.
Tak było z bozonem Higgsa i tak jest teraz z neutrinem, najmniej znaną i najbardziej skomplikowaną do zbadania cząstką elementarną, która została zaobserwowana po raz pierwszy.
Eksperyment Faser
Podczas zderzeń w akceleratorze cząstek w Cern część neutrin powstałych w wyniku zderzeń zderza się z jądrami metali w detektorze emulsji jądrowej w centrum eksperymentu.
To właśnie dzięki "ołowianej ścianie" neutrina stają się widoczne: powstała w wyniku zderzeń z jądrami ołowiu i wolframu podróż neutrin przez warstwy emulsji jądrowej pozostawiła ślady, dając naukowcom możliwość zaobserwowania jej po raz pierwszy.
W trakcie eksperymentu zaobserwowano sześć oddziaływań neutrin, co jest nie tylko wielkim przełomem, który pozwoli nam lepiej zrozumieć naturę wszechświata, ale także świadczy o skuteczności instrumentów testowanych w eksperymencie FASER. "Ten znaczący przełom", mówi Jonathan Feng, współautor badania, "jest krokiem w kierunku głębszego zrozumienia tych nieuchwytnych cząstek i roli, jaką odgrywają we wszechświecie".
Przed projektem FASER nigdy nie wykryto śladów neutrin wewnątrz zderzacza cząstek. Jesteśmy zatem dopiero na początku nowego kierunku w naszym rozumieniu cząstek elementarnych, które tworzą nasz wszechświat.
Od 2022 roku FASERν, nowy detektor emulsji jądrowych, znacznie większy i bardziej czuły niż ten, który doprowadził do tego ważnego odkrycia, ma zacząć działać i według naukowców będzie w stanie "zarejestrować ponad 10 000 interakcji neutrin" już w następnym eksperymencie.