Los neutrinos son partículas diminutas y con carga neutra que se consideran según el modelo estándar de física de partículas. Si bien se estima que son algunas de las partículas más abundantes del universo, observarlas hasta ahora ha demostrado ser un gran desafío, ya que la probabilidad de que interactúen con otra materia es baja.

Para detectar estas partículas, los físicos han estado utilizando detectores y equipos avanzados para examinar fuentes conocidas de neutrinos . Sus esfuerzos finalmente llevaron a la observación de neutrinos provenientes del sol, rayos cósmicos, supernovas y otros objetos cósmicos, así como aceleradores de partículas y reactores nucleares.

Un objetivo antiguo en este campo de estudio era observar neutrinos dentro de colisionadores, aceleradores de partículas en los que dos haces de partículas chocan entre sí. Dos grandes colaboraciones de investigación, a saber, FASER (Forward Search Experiment) y SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, han observado estos neutrinos del colisionador por primera vez, utilizando detectores ubicados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Suiza. Los resultados de sus dos estudios se publicaron recientemente en Physical Review Letters .

«Los neutrinos se producen en abundancia en colisionadores de protones como el LHC», dijo a Phys.org Cristovao Vilela, parte de la colaboración SND@LHC. «Sin embargo, hasta ahora estos neutrinos nunca habían sido observados directamente. La muy débil interacción de los neutrinos con otras partículas hace que su detección sea muy difícil y por eso son las partículas menos estudiadas en el modelo estándar de física de partículas».

La colaboración FASER y SND@LHC son dos esfuerzos de investigación distintos, y ambos utilizan el LHC del CERN. Recientemente, estos dos esfuerzos observaron de forma independiente los primeros neutrinos del colisionador, lo que podría abrir nuevas e importantes vías para la investigación experimental en física de partículas.

La colaboración FASER es un gran esfuerzo de investigación establecido con el objetivo de observar la luz y las partículas que interactúan débilmente. FASER fue el primer grupo de investigación que observó neutrinos en el LHC, utilizando el detector FASER, que está situado a más de 400 metros del renombrado experimento ATLAS, en un túnel separado. FASER (y SND@LHC) observan neutrinos producidos en la misma «región de interacción» dentro del LHC que ATLAS.

«Los colisionadores de partículas existen desde hace más de 50 años y han detectado todas las partículas conocidas excepto los neutrinos», dijo a Phys.org Jonathan Lee Feng, coportavoz de la Colaboración FASER. «Al mismo tiempo, cada vez que se descubren neutrinos de una nueva fuente, ya sea un reactor nuclear, el Sol, la Tierra o una supernova, hemos aprendido algo extremadamente importante sobre el universo. Como parte de nuestro trabajo reciente, Nos propusimos detectar por primera vez neutrinos producidos en un colisionador de partículas».

La colaboración FASER observó los neutrinos del colisionador colocando su detector a lo largo de la línea del haz, siguiendo sus trayectorias. Se sabe que los neutrinos de alta energía se producen predominantemente en este sitio, pero otros detectores del LHC tienen puntos ciegos en esta dirección y, por lo tanto, no han podido observarlos en el pasado.

«Debido a que estos neutrinos tienen altos flujos y altas energías, lo que los hace mucho más propensos a interactuar, pudimos detectar 153 de ellos con un detector muy pequeño y económico que se construyó en muy poco tiempo», explicó Feng. «Anteriormente se pensaba que la física de partículas se dividía en dos partes: experimentos de alta energía, que eran necesarios para estudiar partículas pesadas, como los quarks top y los bosones de Higgs, y experimentos de alta intensidad, que eran necesarios para estudiar neutrinos. Este trabajo ha demostrado que Los experimentos de alta energía también pueden estudiar neutrinos, por lo que han unido las fronteras de alta energía y alta intensidad».

Los neutrinos detectados por Feng y el resto de la colaboración FASER tienen la energía más alta jamás registrada en un entorno de laboratorio. De este modo, podrían allanar el camino para estudios en profundidad de las propiedades de los neutrinos, así como para la búsqueda de otras partículas esquivas.

Poco después de que FASER informara sobre la primera observación de neutrinos del colisionador, la colaboración SND@LHC finalizó su análisis, con ocho eventos adicionales en el LHC que involucraron neutrinos. El experimento SND@LHC se estableció específicamente para detectar neutrinos, utilizando un detector de dos metros de largo, ubicado estratégicamente en un lugar del LHC donde el flujo de neutrinos es alto, pero protegido de los desechos de la colisión de protones por aproximadamente 100 metros de concreto. y roca.

«Incluso con su posicionamiento estratégico, los muones de mayor energía producidos en las colisiones llegan a nuestro detector a una velocidad decenas de millones de veces superior a la de las interacciones de los neutrinos», explicó Vilela. «Estos muones generan hadrones neutros en sus interacciones con el material que rodea nuestro experimento, que a su vez producen en el detector señales similares a las de los neutrinos. Superar este trasfondo fue el mayor desafío en el análisis, que utilizó el patrón distintivo de una pista de muones asociada a una lluvia hadrónica y sin partículas cargadas que ingresan al detector para identificar las interacciones de neutrinos».

Como parte de su estudio reciente, la colaboración SND@LHC analizó los datos recopilados por su detector entre julio y noviembre de 2022, que fue su primer ciclo de funcionamiento. Esta primera recopilación de datos resultó ser un gran éxito, ya que el equipo finalmente registró el 95% de los datos de colisión que se les entregaron y finalmente observó eventos de neutrinos en el colisionador.

«La observación de los neutrinos del colisionador abre la puerta a nuevas mediciones que nos ayudarán a comprender algunos de los enigmas más fundamentales del modelo estándar de física de partículas, como por qué hay tres generaciones de partículas de materia (fermiones) que parecen ser copias exactas. unos de otros en todos los aspectos excepto en su masa», dijo Vilela. «Además, nuestro detector está situado en un punto ciego para los experimentos más grandes del LHC. Por esta razón, nuestras mediciones también contribuirán a una mejor comprensión de la estructura de los protones en colisión».

Estos estudios recientes realizados por las colaboraciones FASER y SND@LHC contribuyen significativamente a la investigación en curso sobre física de partículas experimentales y pronto podrían allanar el camino para nuevos avances en este campo. Ahora que se ha confirmado la presencia de neutrinos en el LHC, estos dos experimentos seguirán recopilando datos, lo que podría conducir a observaciones más significativas.

«Utilizaremos el detector FASER durante muchos años más y esperamos recopilar al menos 10 veces más datos», añadió Feng. «Un hecho particularmente interesante es que este descubrimiento inicial sólo utilizó una parte del detector . En los próximos años, podremos utilizar toda la potencia de FASER para mapear estas interacciones de neutrinos de alta energía con exquisito detalle. Además, estamos «Trabajamos en el Forward Physics Facility, una propuesta para construir una nueva caverna subterránea en el LHC, que nos permitirá detectar millones de neutrinos de alta energía, así como buscar partículas milicargadas y otros fenómenos asociados con la materia oscura . «

Fuente: phys.org