эксперимент ВОЛОКНО
 План экспериментов БАК и преускорителей. | |
| эксперименты на БАКе | |
|---|---|
| АТЛАС | Тороидальный аппарат БАК |
| система управления контентом | Компактный мюонный соленоид |
| LHCb | БАК-красота |
| АЛИСА | Эксперимент на большом ионном коллайдере |
| ТОТЕМ | Полное сечение, упругое рассеяние и дифракционная диссоциация |
| БАКф | LHC-вперед |
| МОЭДАЛ | Монополь и детектор экзотики на БАКе |
| ФАЗЫ | эксперимент с прямым поиском |
| СНД | Детектор рассеяния и нейтрино |
| Преускорители БАК | |
| р и Pb | Линейные ускорители протонов свинца (Linac 4) и ( Linac 3) |
| (не отмечено) | Протонный синхротронный ускоритель |
| ПС | Протонный синхротрон |
| СПС | Суперпротонный синхротрон |
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 коллайдерных нейтрино высоких энергий . [1] В 2023 году FASER и SND@LHC сообщили о первом наблюдении коллайдерных нейтрино. [2]
Эксперимент установлен в служебном туннеле TI12, который находится в 480 м ниже по течению от точки взаимодействия, используемой экспериментом ATLAS . [3] Этот туннель раньше использовался для ввода луча из SPS в ускоритель LEP . В этом месте эксперимент FASER помещается в интенсивный и хорошо коллимированный пучок как нейтрино, так и возможных новых частиц. Кроме того, он защищен от ATLAS примерно 100 метрами камня и бетона, что обеспечивает низкий фон. 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 сбор данных в начале третьего запуска БАК летом 2022 года. [7] [8] [9]
Новые поиски по физике
[ редактировать ]Основная цель эксперимента FASER — поиск новых легких и слабовзаимодействующих частиц, которые еще не открыты, таких как темные фотоны , аксионоподобные частицы и стерильные нейтрино . [10] [11] Если эти частицы достаточно легки, они могут рождаться при редких распадах адронов . Таким образом, такие частицы будут преимущественно рождаться в прямом направлении вдоль оси столкновения, образуя сильно коллимированный пучок, и могут унаследовать большую часть энергии протонного пучка БАК. Кроме того, из-за их небольшого взаимодействия с частицами стандартной модели и больших ускорений эти частицы долгоживущие и могут легко преодолевать сотни метров, не взаимодействуя, 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 первых результатах поиска темных фотонов. В их данных за 2022 год не было обнаружено никакого сигнала, соответствующего темному фотону, и были установлены ограничения на ранее неограниченное пространство параметров.
Нейтринная физика
[ редактировать ]
БАК — это коллайдер частиц с самой высокой энергией, созданный на сегодняшний день, и, следовательно, также источник самых энергичных нейтрино, созданных в контролируемой лабораторной среде. Действительно, столкновения на БАКе приводят к большому потоку высокоэнергетических нейтрино всех сортов , которые сильно коллимированы вокруг оси столкновения пучков и проходят через локацию FASER.
В 2021 году коллаборация FASER объявила о первом обнаружении кандидатов на коллайдерное 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 служебный туннель TI18, и данные собирались всего за четыре недели во время второго запуска LHC в 2018 году. Хотя этот результат и не является открытием коллайдерных нейтрино, он подчеркивает потенциал и осуществимость проведения специальных нейтринных экспериментов. на БАКе.
В 2023 году сотрудничество FASER объявило [17] [18] [19] и опубликовано [2] первое наблюдение коллайдерных нейтрино. Для этого они искали события, в которых трек с высоким импульсом выходит из центральной части объема детектора FASERv и отсутствует активность в самых верхних вето-слоях, как и ожидалось из-за взаимодействия мюонных нейтрино. Этот поиск проводился с использованием только электронных компонентов детектора.
Для более детального изучения этих нейтринных взаимодействий в FASER также имеется специальный субдетектор FASERv (произносится как FASERnu). [20] [21] Ожидается, что за номинальное время работы в несколько лет с помощью FASERν будет зарегистрировано около 10 000 нейтрино. [22] Эти нейтрино обычно имеют энергию в ТэВном масштабе, что позволяет FASERv изучать их взаимодействия в режиме, в котором они в настоящее время не ограничены.
FASERnu сможет исследовать следующие области физики:
- FASERv будет измерять сечения нейтрино-ядерного взаимодействия для всех трех ароматов нейтрино в энергетической шкале ТэВ. Благодаря способности идентифицировать аромат нейтрино это позволит проверить универсальность аромата лептона при рассеянии нейтрино.
- FASERv сможет увидеть наибольшее количество взаимодействий тау-нейтрино, что позволит более детально изучить эту неуловимую частицу.
- FASERv проведет очень точные измерения взаимодействий мюонных нейтрино на никогда ранее не исследованном энергетическом уровне. Эти измерения позволят исследовать структуру протона и ограничить функции распределения партонов .
- 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 БАК. Это предоставит новые ключевые данные для экспериментов по физике астрочастиц.
Детектор
[ редактировать ]
В передней части FASER расположен детектор нейтрино FASERν. Он состоит из множества слоев эмульсионных пленок, чередующихся с вольфрамовыми пластинами в качестве мишени для нейтринных взаимодействий. За FASERν и на входе в основной детектор находится вето заряженных частиц, состоящее из пластиковых сцинтилляторов . [23] [24] Далее следуют пустой объем распада длиной 1,5 метра и спектрометр длиной 2 метра , которые помещаются в магнитное поле напряженностью 0,55 Тл . Спектрометр состоит из трех станций слежения, состоящих из слоев прецизионных кремниевых полосковых детекторов , для обнаружения заряженных частиц, образующихся при распаде долгоживущих частиц. В конце находится электромагнитный калориметр .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Детектор FASER на Большом адронном коллайдере для поиска подсказок о скрытой материи во Вселенной» . Новости УВ . 05.03.2019 . Проверено 11 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Вустер, Элизабет (19 июля 2023 г.). «Рассвет коллайдерной нейтринной физики» . Физика . 16 :113 . Проверено 23 июля 2023 г.
- ^ «Отчет LS2: рождение FASER» . ЦЕРН . Проверено 25 марта 2021 г.
- ^ «FASER: ЦЕРН одобряет новый эксперимент по поиску долгоживущих экзотических частиц» . ЦЕРН . Проверено 19 декабря 2019 г.
- ^ «Новый детектор FASER, как ожидается, поймает первое нейтрино коллайдера» . ЦЕРН . Проверено 19 декабря 2019 г.
- ^ «Установка детектора FASER» . Новости ЭП . Проверено 17 марта 2023 г.
- ^ Гаристо, Дэниел. «Большой адронный коллайдер ищет новые частицы после масштабной модернизации» . Научный американец . Проверено 17 марта 2023 г.
- ^ Ливерпуль, Университет. «Большой адронный коллайдер заработал первые данные за рекордную серию» . физ.орг . Проверено 17 марта 2023 г.
- ^ «Запуск LHC 3: завтра начнется физика с рекордной энергией» . АТЛАС . Проверено 17 марта 2023 г.
- ^ Фэн, Джонатан Л.; Галон, Ифта; Клинг, Феликс; Трояновский, Себастьян (05 февраля 2018 г.). «FASER: эксперимент по прямому поиску на БАКе». Физический обзор D . 97 (3): 035001. arXiv : 1708.09389 . дои : 10.1103/PhysRevD.97.035001 . ISSN 2470-0010 . S2CID 119101090 .
- ^ Арига и др. (Сотрудничество с FASER) (15 мая 2019 г.). «Физика FASER достигает долгоживущих частиц». Физический обзор D . 99 (9): 095011. arXiv : 1811.12522 . Бибкод : 2019PhRvD..99i5011A . doi : 10.1103/PhysRevD.99.095011 . ISSN 2470-0010 . S2CID 119103743 .
- ^ Сотрудничество ФАСЕР; Абреу, Хенсо; Афик, Иоав; Антел, Клэр; Аракава, Джейсон; Мол, увидимся; Арига, Томоко; Бернлохнер, Флориан; Бек, Тобиас; Бойд, Джейми; Бреннер, Лидия; Каду, Фрэнк; Каспер, Дэвид В.; Кавана, Шарлотта; Черутти, Франческо (24 ноября 2021 г.). «Первые кандидаты на взаимодействие нейтрино на БАК» . Физический обзор D . 104 (9):Л0 arXiv : 2105.06197 . doi : 10.1103/PhysRevD.104.L091101 .
- ^ «Нейтрино были пойманы при взаимодействии на Большом адроном коллайдере | Новости науки» . 26 мая 2021 г. Проверено 17 марта 2023 г.
- ^ «Команда физиков под руководством UCI обнаруживает признаки нейтрино на Большом адронном коллайдере» . Новости UCI . 24.11.2021 . Проверено 17 марта 2023 г.
- ^ «В ЦЕРНе впервые обнаружены нейтрино в коллайдере частиц» . «Джерузалем Пост» | JPost.com . Проверено 17 марта 2023 г.
- ^ Дормини, Брюс. «Детектор нейтрино размером с чемодан врезался в грязь большого адронного коллайдера» . Форбс . Проверено 26 ноября 2021 г.
- ^ «Команда под руководством Калифорнийского университета в Ирвине первой обнаружила нейтрино, созданные коллайдером частиц» . Новости UCI . 20 марта 2023 г. Проверено 20 марта 2023 г.
- ^ «Первое обнаружение нейтрино на коллайдере частиц» . ScienceDaily . Проверено 20 марта 2023 г.
- ^ «Новости DESY: Команда исследовательского центра Eananame обнаружила первые нейтрино, созданные коллайдером частиц» . www.desy.de. Проверено 21 марта 2023 г.
- ^ Абреу и др. (сотрудничество с FASER) (2020). «Обнаружение и изучение нейтрино коллайдера высоких энергий с помощью FASER на БАКе». Европейский физический журнал C . 80 (1): 61. arXiv : 1908.02310 . Бибкод : 2020EPJC...80...61A . doi : 10.1140/epjc/s10052-020-7631-5 . S2CID 199472668 .
- ^ Кришна, Четна. «Ловля нейтрино на БАКе» . журнал симметрия . Проверено 17 марта 2023 г.
- ^ Клинг, Феликс; Невай, Лоуренс Дж. (29 декабря 2021 г.). «Прямые потоки нейтрино на БАК» . Физический обзор D . 104 (11): 113008. arXiv : 2105.08270 . дои : 10.1103/PhysRevD.104.113008 .
- ^ Арига и др. (Сотрудничество с FASER) (26 ноября 2018 г.). «Письмо о намерениях для FASER: эксперимент по перспективному поиску на БАКе». arXiv : 1811.10243 [ physical.ins-det ].
- ^ Арига и др. (Сотрудничество с FASER) (21 декабря 2018 г.). «Техническое предложение для FASER: эксперимент по прямому поиску на БАКе». arXiv : 1812.09139 [ physical.ins-det ].
