Впервые ученые создали нейтрино в Большом адронном коллайдере, сообщает sciencealert.com. Эти многочисленные, но загадочные субатомные частицы настолько удалены от остальной материи, что скользят сквозь нее подобно призракам, за что их прозвали «частицами-призраками».

Исследователи говорят, что эта работа представляет собой первое прямое наблюдение нейтрино с коллайдера и поможет нам понять, как формируются эти частицы, каковы их свойства и их роль в эволюции Вселенной.

Результаты, достигнутые с использованием детектора FASERnu на Большом адронном коллайдере, были представлены на 57-й конференции Rencontres de Moriond по электрослабым взаимодействиям и объединенным теориям в Италии.

«Мы обнаружили нейтрино из совершенно нового источника — коллайдеров частиц, где два пучка частиц сталкиваются друг с другом с чрезвычайно высокой энергией», — рассказал физик элементарных частиц Джонатан Фенг из Калифорнийского университета в Ирвине.

Нейтрино являются одними из самых распространенных субатомных частиц во Вселенной, уступая только фотонам. Но у них нет электрического заряда, их масса почти равна нулю, и они почти не взаимодействуют с другими частицами, с которыми сталкиваются. Сотни миллиардов нейтрино прямо сейчас проходят через ваше тело.

Нейтрино образуются в энергетических условиях, таких как ядерный синтез, происходящий внутри звезд, или взрывы сверхновых. И хотя мы можем не замечать их изо дня в день, физики полагают, что их масса — какой бы незначительной она ни была — вероятно, влияет на гравитацию Вселенной (хотя нейтрино в значительной степени были исключены как темная материя).

Хотя их взаимодействие с материей невелико, оно не является полностью отсутствующим; время от времени космическое нейтрино сталкивается с другой частицей, производя очень слабую вспышку света.

Подземные детекторы, изолированные от других источников излучения, могут обнаруживать эти всплески. IceCube в Антарктиде, Super-Kamiokande в Японии и MiniBooNE в Fermilab в Иллинойсе — вот три таких детектора.

Нейтрино, образующиеся в коллайдерах частиц, уже давно разыскиваются физиками, поскольку связанные с ними высокие энергии изучены не так хорошо, как низкоэнергетические нейтрино.

«Они могут рассказать нам о глубоком космосе так, как мы не можем узнать иначе», — говорит физик элементарных частиц Джейми Бойд из ЦЕРНА. «Эти нейтрино очень высокой энергии в БАКЕ важны для понимания действительно захватывающих наблюдений в астрофизике элементарных частиц».

FASERnu — это эмульсионный детектор, состоящий из вольфрамовых пластин миллиметровой толщины, чередующихся со слоями эмульсионной пленки. Вольфрам был выбран из-за его высокой плотности, которая увеличивает вероятность взаимодействия нейтрино; детектор состоит из 730 эмульсионных пленок и общей массы вольфрама около 1 тонны.

Во время экспериментов с частицами на БАК нейтрино могут сталкиваться с ядрами в вольфрамовых пластинах, образуя частицы, которые оставляют следы в слоях эмульсии, немного похожие на то, как ионизирующее излучение оставляет следы в облачной камере.

Эти пластины должны быть проявлены, как фотопленка, прежде чем физики смогут проанализировать следы частиц, чтобы выяснить, что их породило.

Шесть кандидатов в нейтрино были идентифицированы и опубликованы еще в 2021 году. Теперь исследователи подтвердили свое открытие, используя данные третьего запуска модернизированного БАК, который начался в прошлом году, с уровнем значимости 16 сигм.

Это означает, что вероятность того, что сигналы были получены случайным образом, настолько мала, что практически равна нулю; уровень значимости в 5 сигм достаточен, чтобы квалифицироваться как открытие в физике элементарных частиц.

Команда FASER все еще усердно работает над анализом данных, собранных детектором, и представляется вероятным, что за этим последует еще много обнаружений нейтрино. Ожидается, что третий запуск БАК продлится до 2026 года, и сбор и анализ данных продолжаются.

Еще в 2021 году физик Дэвид Каспер из Калифорнийского университета в Ирвине прогнозировал, что запуск приведет к примерно 10 000 взаимодействиям нейтрино, а это значит, что мы едва коснулись поверхности того, что может предложить ФАЗЕРну.

«Нейтрино — единственные известные частицы, которые гораздо более масштабные эксперименты на Большом адронном коллайдере не смогли непосредственно обнаружить, — говорит он, — поэтому успешное наблюдение ФАЗЕРА означает, что наконец-то используется весь физический потенциал коллайдера».