Фізики з колаборації FASER, що працюють на детекторі ATLAS, за допомогою емульсійного детектора вперше зареєстрували нейтрино, народжені у Великому адронному колайдері. Експериментатори розраховують, що вдосконалений варіант детектора, який почне роботу в 2022 році, дозволить вивчити взаємодію всіх трьох типів нейтрино з іншими частинками при енергіях, недоступних всім існуючим детекторам. Дослідження опубліковано в.
Нейтрино - одна з найскладніших для вивчення частинок Стандартної моделі. Справа в тому, що всі три аромати нейтрино беруть участь тільки в гравітаційних і слабких взаємодіях, через що вони майже не розсіюються на інших частинках. Наприклад, для нейтрино з енергією порядку одного мегаелектронвольту характерна довжина вільного пробігу в твердому тілі дорівнює 1015 кілометрів. Ще однією дуже важливою особливістю нейтрино є його дуже маленька маса: сума мас усіх трьох ароматів нейтрино не перевищує 0,26 електронвольт, а найлегше з них має бути менше 0,086 електронвольт, що на 6-7 порядків менше маси електрону.
Серед відомих експериментів з вивчення нейтрино можна згадати Super-Kamiokande, в якому досліджуються взаємодії космічних нейтрино з частинками 50 тисяч тонн води, і IceCube, в якому робочим тілом детектора є крижаний куб з довжиною ребра один кілометр. Однак для вивчення взаємодії нейтрино з іншими частинками в більш широкому діапазоні енергій ще з 80-х років минулого століття вчені розглядали можливість реєстрації нейтрино, народжених на прискорювачах частинок.
У 2021 році колаборація FASER, що об'єднує 76 фізиків з 21 інституту і 9 країн, що працює на детекторі ATLAS, представила результати аналізу даних, зібраних у 2018 році. Аналіз показав, що вчені вперше змогли зареєструвати нейтрино, народжені на Великому адронному колайдері. Нейтрино з енергією близько одного тераелектронвольта народжувалися в розпадах адронів - здебільшого піонів, каонів і D-мезонів, - які, своєю чергою, народжувалися в зіткненнях протонів із сумарною енергією в системі центру мас, що дорівнює 13 тераелектронвольт.
Фізики реєстрували нейтрино за допомогою емульсійного детектора, розташованого за 480 метрів від точки зіткнення протон-протонних пучків у детекторі ATLAS. Емульсійний детектор складався з двох модулів, в кожному з яких шари металу чергувалися з шарами емульсійної плівки. Нейтрино взаємодіяли з ядрами атомів металу, а частинки, що народилися в результаті взаємодії, залишали треки в емульсійній плівці, які і спостерігали експериментатори. Один модуль важив 14 кілограмів і складався зі 101 одноміліметрового шару свинцю і відповідного числа шарів емульсійної плівки, товщиною 0,3 міліметра. У другому модулі було 120 півміліметрових шарів вольфраму, а шари емульсійної плівки мали ту ж товщину, що і в першому модулі. Дослідники заявили про реєстрацію шести актів взаємодії нейтрино з речовиною зі статистичною значущістю 2,7 стандартних відхилень.
Проведена дослідниками робота є підготовкою до істотно більш масштабного експерименту, який вчені планують провести з 2022 по 2024 рік під час третього сезону роботи Великого адронного колайдера. Фізики розраховують, що за цей час на прискорювачі відбудеться близько одного трильйона випадків народження нейтрино з характерною енергією, рівною одному тераелектронвольту, а зареєструвати вони зможуть близько 10 тисяч випадків взаємодії цих нейтрино з речовиною. Таке значне зростання числа спійманих нейтрино планується за рахунок істотного збільшення детектора - його маса повинна зрости з 29 до 1090 кілограм. Вчені також вважають, що зможуть розрізняти випадки взаємодії всіх трьох типів нейтрино з речовиною. Планований експеримент дозволить знайти переріз взаємодії нейтрино при енергіях, недоступних іншим нейтринним експериментам.
Про те, що таке нейтрино, як воно осцилює і взаємодіє ми писали в матеріалі «Н значить нейтрино».