stringtranslate.com

Эксперимент FASER

FASER ( Forward Search ExpeRiment ) — один из девяти экспериментов по физике элементарных частиц, которые пройдут в 2022 году на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе . Он предназначен как для поиска новых легких и слабосвязанных элементарных частиц , так и для обнаружения и изучения взаимодействий нейтрино коллайдера высоких энергий . [1] В 2023 году FASER и SND@LHC сообщили о первом наблюдении нейтрино коллайдера. [2]

Эксперимент установлен в сервисном туннеле TI12, который находится в 480 м ниже точки взаимодействия, используемой экспериментом ATLAS . [3] Этот туннель ранее использовался для ввода пучка из SPS в ускоритель LEP . В этом месте эксперимент FASER помещается в интенсивный и высококоллимированный пучок как нейтрино, так и возможных новых частиц. Кроме того, он экранирован от ATLAS примерно 100 метрами камня и бетона, что обеспечивает низкофоновую среду. Эксперимент FASER был одобрен в 2019 году. [4] [5] Детектор был построен в последующие два года и установлен в 2021 году. [6] Эксперимент начал собирать данные в начале третьего запуска LHC летом 2022 года. [7] [8] [9]

Новые физические поиски

Основная цель эксперимента FASER — поиск новых легких и слабовзаимодействующих частиц, которые еще не были обнаружены, таких как темные фотоны , аксионоподобные частицы и стерильные нейтрино . [10] [11] Если эти частицы достаточно легкие, они могут быть получены в редких распадах адронов . Поэтому такие частицы будут преимущественно производиться в прямом направлении вдоль оси столкновения, образуя высококоллимированный пучок, и могут унаследовать большую часть энергии протонного пучка LHC. Кроме того, из-за их малых связей с частицами стандартной модели и больших усилений эти частицы являются долгоживущими и могут легко перемещаться на сотни метров без взаимодействия, прежде чем они распадутся на частицы стандартной модели. Эти распады приводят к впечатляющему сигналу — появлению высокоэнергетических частиц, которые FASER стремится обнаружить.

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

Физика нейтрино

Расположение эксперимента FASER в боковом туннеле TI12 в LHC в ЦЕРНе

LHC — это коллайдер частиц с самой высокой энергией, построенный до сих пор, и, следовательно, также источник самых энергичных нейтрино, созданных в контролируемой лабораторной среде. Действительно, столкновения на LHC приводят к большому потоку нейтрино высокой энергии всех ароматов , которые сильно коллимированы вокруг оси столкновения пучка и текут через местоположение 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 эмульсионным пилотным детектором с целевой массой 11 кг. Детектор был помещен в сервисный туннель TI18, и данные собирались всего четыре недели во время второго запуска LHC в 2018 году. Хотя этот результат не является открытием коллайдерных нейтрино, он подчеркивает потенциал и осуществимость проведения специальных экспериментов с нейтрино на LHC.

В 2023 году коллаборация FASER объявила [17] [18] [19] и опубликовала [2] первое наблюдение нейтрино коллайдера. Для этого они искали события, в которых трек с высоким импульсом выходит из центральной части объема детектора FASERv и отсутствует активность в самых верхних слоях вето, как и ожидалось от взаимодействия мюонного нейтрино. Этот поиск был выполнен с использованием только электронных компонентов детектора.

Экспериментальная установка FASER на LHC в ЦЕРНе

Для более детального изучения этих взаимодействий нейтрино FASER также содержит специализированный субдетектор FASERv (произносится как FASERnu). [20] [21] Ожидается, что за время своей номинальной работы в несколько лет FASERν зарегистрирует около 10000 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-ядра для всех трех ароматов нейтрино в масштабе энергии ТэВ. Благодаря возможности 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 проведет очень точные измерения взаимодействий мюонных нейтрино в никогда ранее не исследованном энергетическом масштабе. Эти измерения позволят исследовать структуру протона и ограничить функции распределения партонов .
  4. Нейтрино в FASERv в основном производятся при распаде пионов, каонов и очарованных адронов. Таким образом, измерение потоков нейтрино позволяет ограничить производство этих частиц в кинематическом режиме, который недоступен для других экспериментов LHC. Это обеспечит новые ключевые входы для экспериментов по физике астрочастиц.

Детектор

Схема детектора FASER

На переднем конце FASER расположен детектор нейтрино FASERν. Он состоит из множества слоев эмульсионных пленок, перемежающихся с вольфрамовыми пластинами в качестве целевого материала для нейтринных взаимодействий. За FASERν и на входе в основной детектор находится вето заряженных частиц, состоящее из пластиковых сцинтилляторов . [23] [24] За ним следует пустой распадный объем длиной 1,5 метра и спектрометр длиной 2 метра , которые помещены в магнитное поле 0,55 Тл . Спектрометр состоит из трех станций слежения, состоящих из слоев прецизионных кремниевых полосовых детекторов , для обнаружения заряженных частиц, образующихся при распаде долгоживущих частиц. На конце расположен электромагнитный калориметр .

Ссылки

  1. ^ "Детектор FASER на Большом адронном коллайдере будет искать подсказки о скрытой материи во Вселенной". UW News . 2019-03-05 . Получено 11 апреля 2021 г.
  2. ^ ab Worcester, Elizabeth (19 июля 2023 г.). «Рассвет физики нейтрино на коллайдерах». Physics . 16 : 113 . Получено 23 июля 2023 г. .
  3. ^ "Отчет LS2: FASER родился". ЦЕРН . Получено 25.03.2021 .
  4. ^ "FASER: CERN одобряет новый эксперимент по поиску долгоживущих экзотических частиц". CERN . Получено 19.12.2019 .
  5. ^ "Ожидается, что новый детектор FASER поймает первое нейтрино коллайдера". ЦЕРН . Получено 19 декабря 2019 г.
  6. ^ "Установка детектора FASER". EP News . Получено 2023-03-17 .
  7. ^ Гаристо, Дэниел. «Большой адронный коллайдер ищет новые частицы после серьезной модернизации». Scientific American . Получено 17.03.2023 .
  8. ^ Ливерпуль, Университет. «Большой адронный коллайдер получает первые данные в рекордном забеге». phys.org . Получено 17.03.2023 .
  9. ^ "LHC Run 3: физика при рекордной энергии начинается завтра". ATLAS . Получено 2023-03-17 .
  10. ^ Фэн, Джонатан Л.; Галон, Ифтах; Клинг, Феликс; Трояновски, Себастьян (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. S2CID  119101090.
  11. ^ Арига и др. (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. S2CID  119103743.
  12. ^ Сотрудничество FASER; Абреу, Хенсо; Афик, Йоав; Антел, Клэр; Аракава, Джейсон; Арига, Акитака; Арига, Томоко; Бернлохнер, Флориан; Бек, Тобиас; Бойд, Джейми; Бреннер, Лидия; Каду, Франк; Каспер, Дэвид В.; Кавана, Шарлотта; Черутти, Франческо (24 ноября 2021 г.). «Первые кандидаты на взаимодействие нейтрино на БАК». Физический обзор D . 104 (9): L091101. arXiv : 2105.06197 . doi : 10.1103/PhysRevD.104.L091101 .
  13. ^ "Взаимодействующие нейтрино были пойманы на Большом адронном коллайдере | Новости науки". 2021-05-26 . Получено 2023-03-17 .
  14. ^ "Группа физиков под руководством UCI обнаружила признаки нейтрино на Большом адронном коллайдере". Новости UCI . 2021-11-24 . Получено 2023-03-17 .
  15. ^ "Нейтрино впервые обнаружены в коллайдере частиц в ЦЕРНе". The Jerusalem Post | JPost.com . Получено 2023-03-17 .
  16. ^ Дормини, Брюс. «Детектор нейтрино размером с чемоданчик находит добычу на Большом адронном коллайдере». Forbes . Получено 26.11.2021 .
  17. ^ "Группа под руководством Калифорнийского университета в Ирвайне первой обнаружила нейтрино, созданные коллайдером частиц". Новости UCI . 2023-03-20 . Получено 2023-03-20 .
  18. ^ "Первое обнаружение нейтрино на коллайдере частиц". ScienceDaily . Получено 2023-03-20 .
  19. ^ "DESY News: Команда Res eaname rch обнаружила первые нейтрино, созданные коллайдером частиц". www.desy.de . Получено 21.03.2023 .
  20. ^ Абреу и др. (сотрудничество с FASER) (2020). «Обнаружение и изучение нейтрино на коллайдере высоких энергий с помощью FASER на LHC». The European Physical Journal C. 80 ( 1): 61. arXiv : 1908.02310 . Bibcode : 2020EPJC...80...61A. doi : 10.1140/epjc/s10052-020-7631-5. S2CID  199472668.
  21. ^ Кришна, Четна. «Catching neutrinos at LHC». Symmetry magazine . Получено 17.03.2023 .
  22. ^ Клинг, Феликс; Невай, Лоуренс Дж. (29.12.2021). «Прямые потоки нейтрино на LHC». Physical Review D. 104 ( 11): 113008. arXiv : 2105.08270 . doi : 10.1103/PhysRevD.104.113008.
  23. ^ Арига и др. (FASER Collaboration) (2018-11-26). «Письмо о намерениях для FASER: Forward Search ExpeRiment at the LHC». arXiv : 1811.10243 [physics.ins-det].
  24. ^ Арига и др. (FASER Collaboration) (21.12.2018). «Техническое предложение для FASER: Forward Search ExpeRiment at the LHC». arXiv : 1812.09139 [physics.ins-det].

Внешние ссылки

46 ° 14'09 "N 6 ° 03'18" E  /  46,23583 ° N 6,05500 ° E  / 46,23583; 6.05500