Για πρώτη φορά άμεση ανίχνευση νετρίνου του ηλεκτρονίου στον LHC

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, υπάρχουν τρεις τύποι (ή γεύσεις) νετρίνων – τα νετρίνα του ηλεκτρονίου (ν_e), νετρίνα του μιονίου (ν_μ) και νετρίνα του ταυ (ν_τ). Tα νετρίνα «ταλαντώνονται», που σημαίνει ότι μπορούν να αλλάζουν μεταξύ αυτών των τριών τύπων (γεύσεων). Η γεύση δεν είναι μόνιμο χαρακτηριστικό των νετρίνων αφού αλλάζει με το χρόνο. Συνεπώς τα ν_e, ν_μ και ν_τ δεν είναι στάσιμες καταστάσεις με συγκεκριμένες μάζες αλλά υπερθέσεις στάσιμων καταστάσεων, οι οποίες παριστάνονται με ν₁, ν₂ και ν₃. Ας σημειωθεί ότι τα «πραγματικά» νετρίνα, αυτά που έχουν καθορισμένη μάζα και παραμένουν τα ίδια για πάντα, όπως συμβαίνει με όλα τα στοιχειώδη σωματίδια είναι τα ν₁, ν₂ και ν₃, και όχι τα ν_e, ν_μ και ν_τ (διαβάστε σχετικά: Ποιό είναι το βαρύτερο νετρίνο; και Πόσο βαρύ είναι ένα νετρίνο;)

Τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα στοιχειώδη σωματίδια που παίζουν σπουδαίο ρόλο στην σωματιδιακή φυσική. Το γεγονός ότι διαθέτουν μικρή μεν, αλλά όχι αμελητέα μάζα, αποτελεί την μοναδική αναμφισβήτητη ανακάλυψη που δείχνει ότι υπάρχει άγνωστη φυσική πέραν του Καθιερωμένου Πρότυπου των στοιχειωδών σωματιδίων (σύμφωνα με το οποίο τα νετρίνα έχουν μηδενική μάζα). Τα νετρίνα βρίσκονται παντού γύρω μας. Χωρίς να το αντιλαμβανόμαστε τρισεκατομμύρια νετρίνα διασχίζουν το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο. Μπορούν να διασχίσουν χωρίς να αλληλεπιδράσουν ακόμη και ολόκληρους πλανήτες. Ενώ λοιπόν είναι από τα πιο άφθονα σωματίδια στο σύμπαν, η παρατήρησή τους είναι πολύ δύσκολη αφού αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη.

Η ύπαρξη του νετρίνου προτάθηκε στις 4 Δεκεμβρίου του 1930 από τον Wolfgang Pauli σε μια απεγνωσμένη προσπάθεια να εξηγήσει την αρχή διατήρησης της ενέργειας στην διάσπαση βήτα. Ο Enrico Fermi κατάφερε να διατυπώσει μια κομψή θεωρία της διάσπασης β, η οποία περιλάμβανε το σωματίδιο που ονομάστηκε νετρίνο. Κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ότι αυτό το μικροσκοπικό σωματίδιο θα δημιουργούσε επανάσταση και στην σωματιδιακή φυσική και στην κοσμολογία. Πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι να ανιχνευθεί το νετρίνο, στην δεκαετία του 1950, όταν άρχισαν να παράγεται πολύ μεγάλος αριθμός νετρίνων στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Τον Ιούνιο του 1956, οι Frederick Reines και Clyde Cowan έστειλαν ένα τηλεγράφημα στον Pauli – ότι τα νετρίνα άφησαν τα ίχνη τους στον ανιχνευτή τους. Έτσι αποδείχθηκε ότι το σωματίδιο-φάντασμα ήταν ένα πραγματικό σωματίδιο.

Οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει τεράστιους ανιχνευτές με πολύπλοκο εξοπλισμό για να ανιχνεύσουν νετρίνα διαφόρων προελέυσεων. Οι προσπάθειές τους οδήγησαν τελικά στην παρατήρηση νετρίνων που προέρχονται από τον Ήλιο, τις κοσμικές ακτίνες, τα σουπερνόβα και άλλα κοσμικά αντικείμενα, καθώς και από επιταχυντές σωματιδίων και πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Πολύ δύσκολη ήταν η παρατήρηση νετρίνων που παράγονται μέσα σε επιταχυντές, όταν δύο δέσμες σωματιδίων συγκρούονται μεταξύ τους. Τελικά όμως, το 2023, δύο μεγάλα πειράματα, συγκεκριμένα το FASER (Forward Search Experiment) και το SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, ανίχνευσαν για πρώτη φορά νετρίνα του μιονίου που παράχθηκαν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) από συγκρούσεις πρωτονίων, χρησιμοποιώντας τους κατάλληλους ανιχνευτές. 

Πριν από λίγες ημέρες το πείραμα FASER ανέφερε την πρώτη άμεση ανίχνευση μιας ακόμα γεύσης – το νετρίνο του ηλεκτρονίου [First Measurement of 𝜈_𝑒 and 𝜈_𝜇 Interaction Cross Sections at the LHC with FASER’s Emulsion Detector].

Η ερευνητική ομάδα του πειράματος FASER χρησιμοποίησε έναν ανιχνευτή κατασκευασμένο από βολφράμιο τοποθετημένο 500 μέτρα από το σημείο που συγκρούονται οι δέσμες των πρωτονίων του LHC. Όταν ένα νετρίνο του ηλεκτρονίου παράγεται από τις συγκρούσεις πρωτονίων φτάνει στον ανιχνευτή και αλληλεπιδρά με ένα άτομο βολφραμίου, παράγει ένα εξαιρετικά ενεργητικό ηλεκτρόνιο μαζί με πολλά άλλα σωματίδια. Οι επιστήμονες του FASER συμπέραναν την άφιξη ενός μητρικού νετρίνου του ηλεκτρονίου στον ανιχνευτή από τον χαρακτηριστικό καταρράκτη των δευτερευόντων ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων και των φωτονίων που περιβάλλουν την τροχιά του θυγατρικού ηλεκτρονίου. Με αυτόν τον τρόπο, βρήκαν τέσσερα νετρίνα του ηλεκτρονίου. Οι φυσικοί είναι βέβαιοι, με στατιστική ακρίβεια 5 σίγμα, ότι τα ίχνη των σωματιδίων που φαίνονται στον ανιχνευτή τους για αυτά τα τέσσερα γεγονότα δεν παρήχθησαν τυχαία από άλλα ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια που μιμούνται ένα νετρίνο (5σ σημαίνει ότι η πιθανότητα το σήμα να είναι τυχαίο είναι μόλις 0,00003%).

Οι ερευνητές θεωρούν ότι η ικανότητα ανίχνευσης και διαφοροποίησης νετρίνων διαφορετικών γεύσεων που παράγονται σε επιταχυντές θα τους επιτρέψει να διερευνήσουν τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις. Μπορεί επίσης με βάση τα νετρίνα, να διερευνηθεί η εσωτερική δομή κουάρκ-γλοιονίων του πρωτονίου.

Πηγές:
1. Η πρώτη ανίχνευση νετρίνων που παράχθηκαν στον επιταχυντή του CERN
2. First Direct Detection of Electron Neutrinos at a Particle Collider – https://physics.aps.org/articles/v17/s80

https://physicsgg.me/

1. R. M. Abraham et al. (FASER Collaboration), “First measurement of 𝜈e${𝜈}_e$ and 𝜈𝜇${𝜈}_{𝜇}$ interaction cross sections at the LHC with FASER’s emulsion detector,” Phys. Rev. Lett. 133, 021802 (2024).