«Никто их не мог зарегистрировать». Что означает поимка нейтрино на Большом адронном коллайдере

Ученые впервые зарегистрировали нейтрино, рожденные при соударении протонов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Это удалось сделать в ходе эксперимента FASER, в котором участвуют российские ученые. В чем важность достижения и что оно даст для изучения космоса, RTVI рассказала член коллаборации, научный сотрудник Объединенного института ядерных исследований (Дубна) Светлана Васина.

Ваши коллеги по эксперименту FASER на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе сообщили о первой в истории регистрации нейтрино, рожденных на ускорителе. Однако еще в 2011 году весь мир обсуждал регистрацию в итальянском эксперименте OPERA нейтрино, рожденных в ЦЕРНе, которые якобы двигались со сверхсветовой скоростью. В чем же отличие тех и нынешних нейтрино?

В сообщении говорится о регистрации не просто ускорительных нейтрино. С пучками таких нейтрино физики работают уже давно, например, еще 40 лет назад такой пучок был на ускорителе в Протвино. Сейчас же впервые зарегистрированы нейтрино от Большого Адронного Коллайдера, где сталкиваются протоны с энергией 7 ТэВ. Соответственно и нейтрино, рождающиеся при этом среди прочих частиц, имеют сверхвысокую энергию от нескольких сотен ГэВ до 2-3 ТэВ.

В эксперименте FASER регистрируются нейтрино, вылетающие в очень узком конусе из точки пересечения пучков в детекторе ATLAS, который сам их не может видеть.

Кстати, другой целью эксперимента FASER является поиск экзотических частиц, которые также могут рождаться на БАК в угловом диапазоне, недоступном детектору ATLAS. В частности, ищутся так называемые темные фотоны, кандидаты на роль элементов темной материи — главной загадки для физиков на сегодняшний день.

Для регистрации нейтрино в установке FASER служит ядерно-эмульсионный детектор. С помощью современных автоматических и высокоэффективных инструментов и методов информация о треках частиц, зарегистрированных в эмульсии, извлекается и анализируется. Благодаря высокому разрешению мы можем идентифицировать все типы нейтрино — электронное, мюонное, и тау-нейтрино. Но все-таки анализ данных эмульсионного детектора требует значительно больше времени. Ранее FASER уже сообщал о первых зарегистрированных в эмульсионном детекторе нейтрино от БАК, но статистика этих событий была еще невелика. Однако, электронные детекторы, которые в установке FASER служат для поиска экзотических частиц, тоже видят продукты взаимодействия нейтрино с эмульсионным детектором. Анализ данных этих детекторов и дал новый результат.

Когда были зафиксированы нейтрино?

Данные набирались во время всего сеанса прошлого года. На начальном этапе анализа данных электронных детекторов отбирались взаимодействия только мюонных нейтрино, и было найдено 153 события. С учетом всех фоновых процессов, которые могут имитировать нейтринные взаимодействия, результат имеет очень высокую статистическую значимость — на жаргоне физиков 16 сигм. (Открытием считается результат со статистической значимостью выше 5 сигм. )

В коллаборации вас, сотрудников ОИЯИ, трое. Какова ваша роль?

Да, нас трое физиков и еще один инженер. Мы все пришли из других нейтринных экспериментов, имеем опыт работы как с эмульсионными, так и с электронными детекторами. Мы принимаем участие в подготовке детектора к набору данных, моделировании эксперимента, анализе получаемых данных. Вообще, FASER небольшой эксперимент — около 80 участников из 22 институтов, так что все группы невелики по составу.

Какой фундаментальный смысл этого открытия?

Строго говоря, это не совсем открытие. То, что нейтрино рождаются на коллайдере, хорошо известно. Однако, никто до сих пор их не мог зарегистрировать, нужны были специальные детекторы и экспериментальные подходы. Безусловная новизна объявленного результата в том, что теперь начинается работа с нейтрино в совершенно новом энергетическом диапазоне, недоступном до сих пор. Результат показывает, что мы действительно можем регистрировать эти нейтрино, работать с ними, в дальнейшем изучать их свойства, в частности, сечение их взаимодействия с веществом. Это важно потому, что до сих пор у физиков были данные о нейтрино или гораздо меньших энергий (от солнца, реакторов, даже ускорительные нейтрино имеют энергию лишь до нескольких десятков ГэВ), или же о нейтрино значительно больших энергий из космоса. Последние регистрируются с помощью гигантских детекторов объемом до кубического километра, один из которых -Байкал-ГВД — успешно работает у нас в стране.

Измерение сечения взаимодействия и других свойств нейтрино от коллайдера позволит уточнить свойства нейтрино, прилетающих к нам из отдаленных объектов во Вселенной, и в конечном итоге позволит понять их происхождение.

Каковы перспективы открытия возможных носителей темной материи на вашем детекторе?

Мы не знаем на сегодня, из чего состоит так называемая темная материя. Ее существование следует из наблюдаемых гравитационных явлений , интерпретируемых с помощью теории Эйнштейна. На сегодняшний день есть несколько моделей, предлагающих объяснение этого феномена и в том числе предсказывающих рождение частиц темной материи на коллайдере. Одним из кандидатов в такие частицы является так называемый темный фотон, у него понятна топология распада, его более-менее понятно, как регистрировать.

В экспериментах, в которых ищут темную материю, а их много, пока ничего не зарегистрировали, Однако даже отрицательный результат, как известно, тоже полезен и может иметь важное значение. Ненаблюдение предсказываемых моделями частиц или явлений позволяет уточнять эти теории или вовсе их отбрасывать, устанавливая ограничения на вероятность их существования.