Un equipo internacional de científicos de la Forward Search Experiment (FASER), y dirigidos por físicos de la University of California, Irvine (UCI), han realizado “primera detección de candidatos a neutrinos” producidos por el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN en Suiza.
En un artículo publicado hoy en la revista Physical Review D, los investigadores describen cómo observaron seis interacciones de neutrinos durante una ejecución piloto de un detector de emulsión compacto instalado en el LHC (Large Hadron Collider) en 2018.
Jonathan Feng, profesor distinguido de física y astronomía de la UCI colíder de la colaboración FASER y coautor de la investigación, dijo en un comunicado:
“Antes de este proyecto, nunca se había visto ningún signo de neutrinos en un colisionador de partículas. Este avance significativo es un paso hacia el desarrollo de una comprensión más profunda de estas escurridizas partículas y el papel que desempeñan en el universo”.
Feng dijo que el descubrimiento realizado durante el piloto le dio a su equipo dos piezas de información cruciales.
Feng agregó:
“Primero, verificó que la posición adelante del punto de interacción ATLAS en el LHC es la ubicación correcta para detectar neutrinos colisionadores. En segundo lugar, nuestros esfuerzos demostraron la eficacia de utilizar un detector de emulsión para observar este tipo de interacciones de neutrinos”.
El instrumento piloto estaba compuesto por placas de plomo y tungsteno alternadas con capas de emulsión. Durante las colisiones de partículas en el LHC, algunos de los neutrinos producidos chocan contra los núcleos de los metales densos, creando partículas que viajan a través de las capas de emulsión y crean marcas que son visibles después del procesamiento. Estos grabados proporcionan pistas sobre las energías de las partículas (tau, muón o electrón) y si son neutrinos o antineutrinos.
El detector de partículas FASER que recibió la aprobación del CERN para su instalación en el Gran Colisionador de Hadrones en 2019 se ha mejorado recientemente con un instrumento para detectar neutrinos. El equipo de FASER dirigido por la UCI utilizó un detector más pequeño del mismo tipo en 2018 para hacer las primeras observaciones de las elusivas partículas generadas en un colisionador. El nuevo instrumento podrá detectar miles de interacciones de neutrinos durante los próximos tres años, dicen los investigadores. Crédito: CERN
Similar a la fotografía antigua
Según Feng, la emulsión funciona de manera similar a la fotografía en la era anterior a las cámaras digitales. Cuando una película de 35 milímetros se expone a la luz, los fotones dejan huellas que se revelan como patrones cuando se revela la película. Los investigadores de FASER también pudieron ver las interacciones de los neutrinos después de eliminar y desarrollar las capas de emulsión del detector.
Feng agregó:
“Habiendo verificado la efectividad del enfoque del detector de emulsión para observar las interacciones de los neutrinos producidos en un colisionador de partículas, el equipo de FASER ahora está preparando una nueva serie de experimentos con un instrumento completo que es mucho más grande y significativamente más sensible”.
Desde 2019, él y sus colegas se han estado preparando para realizar un experimento con instrumentos FASER para investigar la materia oscura en el LHC. Esperan detectar fotones oscuros, lo que les daría a los investigadores un primer vistazo de cómo la materia oscura interactúa con los átomos normales y la otra materia en el universo a través de fuerzas no gravitacionales.
FASER y neutrinos, una nueva era de hallazgos
El experimento FASER está situado a 480 metros del punto de interacción ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones. Según Jonathan Feng, profesor distinguido de física y astronomía de la UCI y colíder de la colaboración FASER, esta es una buena ubicación para detectar neutrinos que resultan de colisiones de partículas en la instalación. Crédito: CERN
Con el éxito de su trabajo con neutrinos en los últimos años, el equipo de FASER, que consta de 76 físicos de 21 instituciones en nueve países, está combinando un nuevo detector de emulsión con el aparato FASER. Mientras que el detector piloto pesaba alrededor de 64 libras, el instrumento FASERnu pesará más de 2.400 libras y será mucho más reactivo y capaz de diferenciar entre variedades de neutrinos.
David Casper, coautor del proyecto además de líder y profesor asociado de física y astronomía en la UCI, dijo en un comunicado:
“Dada la potencia de nuestro nuevo detector y su ubicación privilegiada en el CERN, esperamos poder registrar más de 10.000 interacciones de neutrinos en la próxima ejecución del LHC, a partir de 2022. Detectaremos los neutrinos de mayor energía que jamás se hayan producido a partir de una fuente creada por el hombre”.
Lo que hace único a FASERnu, dijo, es que mientras otros experimentos han podido distinguir entre uno o dos tipos de neutrinos, podrá observar los tres tipos más sus contrapartes antineutrinos. Casper dijo que solo ha habido alrededor de 10 observaciones de neutrinos tau en toda la historia de la humanidad, pero que espera que su equipo pueda duplicar o triplicar ese número en los próximos tres años.
Los hallazgos de la investigación han sido publicados en la revista Physical Review D.
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