FASER

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

FASER (ForwArd Search ExpeRiment) — один из девяти экспериментов в области физики элементарных частиц, которые проводятся в 2022—2023 годах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Цель эксперимента — поиск новых лёгких и слабосвязанных элементарных частиц, а также обнаружение и изучение взаимодействий нейтрино высоких энергий внутри коллайдера[1]. В марте 2023 года FASER сообщил о первом наблюдении нейтрино[2].

Эксперимент проводится в служебном туннеле TI12, который находится на 480 м ниже по течению от точки взаимодействия, используемой в эксперименте ATLAS[3]. Этот туннель ранее использовался для ввода пучка из SPS в ускоритель LEP. В этом месте эксперимент FASER помещается в интенсивный и сильно коллимированный пучок как нейтрино, так и возможных новых частиц. Кроме того, он защищен от ATLAS примерно 100 метрами камня и бетона, что обеспечивает низкий уровень фоновой среды. Эксперимент FASER был одобрен в 2019 году[4][5]. Детектор был построен в течение следующих двух лет и установлен в 2021 году[6]. Эксперимент начал собирать данные в начале запуска 3 LHC летом 2022 года[7][8][9].

Новые изыскания[править | править код]

Основная цель эксперимента FASER — поиск новых лёгких и слабо взаимодействующих частиц, которые ещё не были обнаружены, таких как тёмные фотоны, аксионоподобные частицы и стерильные нейтрино[10][11]. Если эти частицы достаточно лёгкие, они могут рождаться в редких распадах адронов. Таким образом, такие частицы будут преимущественно образовываться в прямом направлении вдоль оси столкновения, образуя сильно коллимированный пучок, и могут унаследовать большую часть энергии протонного пучка LHC. Кроме того, из-за их небольших связей с частицами стандартной модели и больших ускорений эти частицы являются долгоживущими и могут легко перемещаться на сотни метров, не взаимодействуя, прежде чем распадутся на частицы стандартной модели. Эти распады приводят к эффектному сигналу, появлению высокоэнергетических частиц, которые FASER может обнаружить.

В марте 2023 года коллаборация FASER сообщила о своих первых результатах поиска тёмных фотонов. В данных 2022 года не было обнаружено сигнала, соответствующего тёмному фотону, и были установлены ограничения на ранее неограниченное пространство параметров.

Физика нейтрино[править | править код]

LHC является коллайдером частиц с самой высокой энергией, построенным до сих пор, и, следовательно, также источником самых энергетических нейтрино, созданных в контролируемой лабораторной среде. Действительно, столкновения на LHC приводят к большому потоку высокоэнергетических нейтрино всех ароматов, которые сильно коллимируются вокруг оси столкновения пучка и проходят через место FASER.

В 2021 году коллаборация FASER объявила о первом обнаружении кандидатов на коллайдерные нейтрино.[12][13][14][15][16] Данные, использованные для этого открытия, были собраны небольшим пилотным детектором эмульсии с массой мишени 11 кг. Детектор был размещён в служебном туннеле TI18, а данные собирались всего за четыре недели во время запуска LHC 2 в 2018 году. Хотя этот результат не является открытием коллайдерных нейтрино, он подчёркивает потенциал и осуществимость проведения специальных экспериментов с нейтрино на БАК.

В марте 2023 года коллаборация FASER сообщила о первом наблюдении коллайдерных нейтрино[17][18][19]. Для этого они искали события, при которых в центральной части объёма детектора FASERv возникает трек с высоким импульсом, а в самых верхних вето-слоях отсутствует активность, как и ожидалось от взаимодействия мюонных нейтрино. Этот поиск был выполнен с использованием только компонентов электронного детектора.

Для более подробного изучения этих взаимодействий нейтрино FASER также содержит специальный поддетектор FASERv (произносится как FASERnu)[20][21]. Ожидается, что в течение номинального времени работы в несколько лет FASERν зарегистрирует около 10 000 нейтрино[22]. Эти нейтрино обычно имеют энергию в масштабе ТэВ, что позволяет FASERv изучать их взаимодействия в режиме, в котором они в настоящее время не ограничены.

FASERnu сможет исследовать следующие области физики:

  1. FASERv будет измерять сечения взаимодействия нейтрино с ядром для всех трёх ароматов нейтрино в энергетическом масштабе ТэВ. Обладая способностью идентифицировать аромат нейтрино, он позволит проверить универсальность аромата лептона в рассеянии нейтрино.
  2. FASERv сможет увидеть наибольшее количество взаимодействий тау-нейтрино, что позволит более подробно изучить эту неуловимую частицу.
  3. FASERv будет проводить очень точные измерения взаимодействий мюонных нейтрино в энергетическом масштабе, никогда ранее не исследовавшемся. Эти измерения позволят изучить структуру протона и ограничить функции распределения партонов.
  4. Нейтрино в FASERv в основном образуются при распаде пионов, каонов и очарованных адронов. Таким образом, измерение потоков нейтрино позволяет ограничить рождение этих частиц в кинематическом режиме, который недоступен для других экспериментов на LHC. Это даст новые ключевые данные для экспериментов по астрофизике элементарных частиц.

Детектор[править | править код]

Схема детектора FASER

На переднем конце FASER расположен детектор нейтрино FASERν. Он состоит из множества слоёв эмульсионных плёнок, чередующихся с вольфрамовыми пластинами в качестве материала-мишени для взаимодействия нейтрино. За FASERν и на входе в основной детектор находится вето заряженных частиц, состоящее из пластиковых сцинтилляторов. За ним следуют пустой объём распада длиной 1,5 метра и спектрометр длиной 2 метра, которые помещаются в магнитное поле 0,55 Тл . Спектрометр состоит из трёх станций слежения, состоящих из слоёв прецизионных кремниевых ленточных детекторов, для обнаружения заряженных частиц, образующихся при распаде долгоживущих частиц. В конце находится электромагнитный калориметр.

Примечания[править | править код]

  1. ↑ FASER detector at the Large Hadron Collider to seek clues about hidden matter in the universe. UW News (5 марта 2019). Дата обращения: 11 апреля 2021. Архивировано 24 марта 2023 года.
  2. ↑ First detection of neutrinos made at a particle collider. Space Daily. Дата обращения: 20 марта 2023. Архивировано 20 марта 2023 года.
  3. ↑ LS2 Report: FASER is born (англ.). CERN. Дата обращения: 25 марта 2021. Архивировано 26 марта 2021 года.
  4. ↑ FASER: CERN approves new experiment to look for long-lived, exotic particles (англ.). CERN. Дата обращения: 19 декабря 2019. Архивировано 19 февраля 2021 года.
  5. ↑ FASER's new detector expected to catch first collider neutrino (англ.). CERN. Дата обращения: 19 декабря 2019. Архивировано 19 декабря 2019 года.
  6. ↑ FASER Detector Installation (англ.). EP News. Дата обращения: 17 марта 2023. Архивировано 17 марта 2023 года.
  7. ↑ Garisto. Large Hadron Collider Seeks New Particles after Major Upgrade (англ.). Scientific American. Дата обращения: 17 марта 2023. Архивировано 17 марта 2023 года.
  8. ↑ Liverpool. Large Hadron Collider takes first data in record-breaking run (англ.). phys.org. Дата обращения: 17 марта 2023. Архивировано 17 марта 2023 года.
  9. ↑ LHC Run 3: physics at record energy starts tomorrow (англ.). ATLAS. Дата обращения: 17 марта 2023. Архивировано 17 марта 2023 года.
  10. ↑ Feng, Jonathan L. (2018-02-05). "FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC". Physical Review D. 97 (3): 035001. arXiv:1708.09389. doi:10.1103/PhysRevD.97.035001. ISSN 2470-0010.
  11. ↑ Ariga et al. (FASER Collaboration) (2019-05-15). "FASER's Physics Reach for Long-Lived Particles". Physical Review D. 99 (9): 095011. arXiv:1811.12522. Bibcode:2019PhRvD..99i5011A. doi:10.1103/PhysRevD.99.095011. ISSN 2470-0010.
  12. ↑ FASER Collaboration (2021-11-24). "First neutrino interaction candidates at the LHC". Physical Review D. 104 (9): L091101. doi:10.1103/PhysRevD.104.L091101.
  13. ↑ Neutrinos were caught interacting at the Large Hadron Collider | Science News (амер. англ.) (26 мая 2021). Дата обращения: 17 марта 2023. Архивировано 17 апреля 2023 года.
  14. ↑ UCI-led team of physicists detects signs of neutrinos at Large Hadron Collider (амер. англ.). UCI News (24 ноября 2021). Дата обращения: 17 марта 2023. Архивировано 20 марта 2023 года.
  15. ↑ Neutrinos detected in particle collider for first time at CERN (амер. англ.). The Jerusalem Post | JPost.com. Дата обращения: 17 марта 2023. Архивировано 17 марта 2023 года.
  16. ↑ Dorminey. Suitcase-Sized Neutrino Detector Hits Pay Dirt At Large Hadron Collider (англ.). Forbes. Дата обращения: 26 ноября 2021. Архивировано 25 ноября 2021 года.
  17. ↑ UC Irvine-led team is first to detect neutrinos made by a particle collider (амер. англ.). UCI News (20 марта 2023). Дата обращения: 20 марта 2023. Архивировано 20 марта 2023 года.
  18. ↑ First detection of neutrinos made at a particle collider (англ.). ScienceDaily. Дата обращения: 20 марта 2023. Архивировано 20 марта 2023 года.
  19. ↑ DESY News: Research team detects first neutrinos made by a particle collider (англ.). www.desy.de. Дата обращения: 21 марта 2023. Архивировано 21 марта 2023 года.
  20. ↑ Abreu et al. (FASER collaboration) (2020). "Detecting and Studying High-Energy Collider Neutrinos with FASER at the LHC". The European Physical Journal C. 80 (1): 61. arXiv:1908.02310. Bibcode:2020EPJC...80...61A. doi:10.1140/epjc/s10052-020-7631-5.
  21. ↑ Krishna. Catching neutrinos at the LHC (англ.). symmetry magazine. Дата обращения: 17 марта 2023. Архивировано 17 марта 2023 года.
  22. ↑ Kling, Felix (2021-12-29). "Forward neutrino fluxes at the LHC". Physical Review D. 104 (11): 113008. doi:10.1103/PhysRevD.104.113008.

Ссылки[править | править код]

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=FASER&oldid=133039430