Die erste Beobachtung von Neutrinos am Large Hadron Collider des CERN

Neutrinos sind winzige und neutral geladene Teilchen, die im Standardmodell der Teilchenphysik berücksichtigt werden. Obwohl sie Schätzungen zufolge zu den am häufigsten vorkommenden Teilchen im Universum gehören, hat sich ihre Beobachtung bisher als äußerst schwierig erwiesen, da die Wahrscheinlichkeit, dass sie mit anderer Materie interagieren, gering ist.

Um diese Teilchen aufzuspüren, haben Physiker Detektoren und moderne Geräte eingesetzt, um bekannte Neutrinoquellen zu untersuchen. Ihre Bemühungen führten schließlich zur Beobachtung von Neutrinos, die von der Sonne, kosmischer Strahlung, Supernovae und anderen kosmischen Objekten sowie von Teilchenbeschleunigern und Kernreaktoren stammen.

Ein langjähriges Ziel in diesem Forschungsbereich war die Beobachtung von Neutrinos in Kollidern, Teilchenbeschleunigern, in denen zwei Teilchenstrahlen miteinander kollidieren. Zwei große Forschungskooperationen, nämlich FASER (Forward Search Experiment) und SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, haben diese Collider-Neutrinos zum ersten Mal mithilfe von Detektoren am Large Hadron Collider (LHC) des CERN in der Schweiz beobachtet. Die Ergebnisse ihrer beiden Studien wurden kürzlich in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Neutrinos werden in Protonenkollidern wie dem LHC in großer Menge produziert“, sagte Cristovao Vilela, Teil der SND@LHC-Kollaboration, gegenüber Phys.org. „Allerdings wurden diese Neutrinos bisher noch nie direkt beobachtet. Die sehr schwache Wechselwirkung von Neutrinos mit anderen Teilchen macht ihren Nachweis sehr schwierig und sie sind daher die am wenigsten untersuchten Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik.“

Bei der Zusammenarbeit von FASER und SND@LHC handelt es sich um zwei unterschiedliche Forschungsanstrengungen, die beide den LHC am CERN nutzen. Kürzlich beobachteten diese beiden Versuche unabhängig voneinander die ersten Collider-Neutrinos, was wichtige neue Wege für die experimentelle Teilchenphysikforschung eröffnen könnte.

Bei der FASER-Kollaboration handelt es sich um eine große Forschungsinitiative mit dem Ziel, Licht und schwach wechselwirkende Teilchen zu beobachten. FASER war die erste Forschungsgruppe, die Neutrinos am LHC beobachtete, und zwar mit dem FASER-Detektor, der über 400 m vom renommierten ATLAS-Experiment entfernt in einem separaten Tunnel positioniert ist. FASER (und SND@LHC) beobachten Neutrinos, die in derselben „Wechselwirkungsregion“ innerhalb des LHC wie ATLAS erzeugt werden.

„Teilchenbeschleuniger gibt es seit über 50 Jahren und sie haben jedes bekannte Teilchen außer Neutrinos entdeckt“, sagte Jonathan Lee Feng, Co-Sprecher der FASER Collaboration, gegenüber Phys.org. „Gleichzeitig haben wir jedes Mal, wenn Neutrinos aus einer neuen Quelle entdeckt wurden, sei es ein Kernreaktor, die Sonne, die Erde oder Supernovae, etwas äußerst Wichtiges über das Universum gelernt. Im Rahmen unserer jüngsten Arbeit haben wir „Wir haben uns zum ersten Mal vorgenommen, Neutrinos nachzuweisen, die an einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wurden.“

Die FASER-Kollaboration beobachtete Collider-Neutrinos, indem sie ihren Detektor entlang der Strahllinie platzierte und dabei ihren Flugbahnen folgte. Es ist bekannt, dass an diesem Ort überwiegend hochenergetische Neutrinos erzeugt werden, andere Detektoren am LHC weisen jedoch blinde Flecken in dieser Richtung auf und konnten sie daher in der Vergangenheit nicht beobachten.

„Da diese Neutrinos hohe Flüsse und Energien haben, was die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung deutlich erhöht, konnten wir 153 von ihnen mit einem sehr kleinen, kostengünstigen Detektor nachweisen, der in sehr kurzer Zeit gebaut wurde“, erklärte Feng. „Früher ging man davon aus, dass die Teilchenphysik in zwei Teile unterteilt ist: Hochenergieexperimente, die zur Untersuchung schwerer Teilchen wie Top-Quarks und Higgs-Bosonen erforderlich waren, und Hochintensitätsexperimente, die zur Untersuchung von Neutrinos erforderlich waren. Das hat diese Arbeit gezeigt.“ Hochenergieexperimente können auch Neutrinos untersuchen und haben so die Hochenergie- und Hochintensitätsgrenzen zusammengebracht.“

Die von Feng und dem Rest der FASER-Kollaboration entdeckten Neutrinos haben die höchste Energie, die jemals in einer Laborumgebung gemessen wurde. Sie könnten somit den Weg für eingehende Untersuchungen der Eigenschaften von Neutrinos sowie für die Suche nach anderen schwer fassbaren Teilchen ebnen.

Kurz nachdem FASER über die erste Beobachtung von Collider-Neutrinos berichtete, schloss die SND@LHC-Kollaboration ihre Analyse ab und stellte fest, dass acht weitere Ereignisse im LHC Neutrinos betrafen. Das SND@LHC-Experiment wurde speziell zum Nachweis von Neutrinos eingerichtet. Dabei kommt ein zwei Meter langer Detektor zum Einsatz, der strategisch an einer Stelle im LHC platziert ist, wo der Neutrinofluss hoch ist, aber durch etwa 100 Meter Beton vor Protonenkollisionstrümmern geschützt ist und Rock.

„Trotz seiner strategischen Positionierung erreichen die bei den Kollisionen erzeugten Myonen mit der höchsten Energie unseren Detektor mit einer Geschwindigkeit, die zehnmillionenmal höher ist als die Wechselwirkungen von Neutrinos“, erklärte Vilela. „Diese Myonen erzeugen in ihren Wechselwirkungen mit der unser Experiment umgebenden Materie neutrale Hadronen, die wiederum im Detektor Signale erzeugen, die denen von Neutrinos ähneln. Diesen Hintergrund zu überwinden, war die größte Herausforderung bei der Analyse, die sich das charakteristische Muster zunutze machte.“ einer Myonenspur, die mit einem hadronischen Schauer verbunden ist, und dass keine geladenen Teilchen in den Detektor eindringen, um die Neutrino-Wechselwirkungen zu identifizieren.“

Im Rahmen ihrer jüngsten Studie analysierte die SND@LHC-Kollaboration Daten, die ihr Detektor zwischen Juli und November 2022, dem ersten Betriebszyklus, gesammelt hatte. Dieser erste Datenerfassungslauf erwies sich als äußerst erfolgreich, da das Team letztendlich 95 % der an es gelieferten Kollisionsdaten aufzeichnete und schließlich Neutrino-Ereignisse im Collider beobachtete.

„Die Beobachtung von Collider-Neutrinos öffnet die Tür zu neuartigen Messungen, die uns helfen werden, einige der grundlegenderen Rätsel des Standardmodells der Teilchenphysik zu verstehen, etwa warum es drei Generationen von Materieteilchen (Fermionen) gibt, die exakte Kopien zu sein scheinen.“ in allen Aspekten voneinander abweichen, bis auf ihre Masse“, sagte Vilela. „Außerdem ist unser Detektor an einem Ort platziert, der für die größeren LHC-Experimente ein blinder Fleck ist. Dadurch werden unsere Messungen auch zu einem besseren Verständnis der Struktur kollidierender Protonen beitragen.“

Diese jüngsten Studien der FASER- und SND@LHC-Kollaborationen tragen erheblich zur laufenden experimentellen Teilchenphysikforschung bei und könnten bald den Weg für weitere Durchbrüche auf diesem Gebiet ebnen. Nachdem nun die Anwesenheit von Neutrinos am LHC bestätigt wurde, werden diese beiden Experimente weiterhin Daten sammeln, was möglicherweise zu aussagekräftigeren Beobachtungen führen wird.

„Wir werden den FASER-Detektor noch viele Jahre lang betreiben und gehen davon aus, mindestens zehnmal mehr Daten zu sammeln“, fügte Feng hinzu. „Eine besonders aufregende Tatsache ist, dass diese erste Entdeckung nur einen Teil des Detektors nutzte. In den kommenden Jahren werden wir die volle Leistung von FASER nutzen können, um diese hochenergetischen Neutrino-Wechselwirkungen bis ins kleinste Detail abzubilden. Darüber hinaus sind wir es.“ Wir arbeiten an der Forward Physics Facility, einem Vorschlag zum Bau einer neuen unterirdischen Kaverne am LHC, die es uns ermöglichen wird, Millionen hochenergetischer Neutrinos nachzuweisen sowie nach milli-geladenen Teilchen und anderen Phänomenen im Zusammenhang mit dunkler Materie zu suchen.“

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