В эксперименте FASER впервые зарегистрированы электронные нейтрино от LHC
Недавно в эксперименте FASER (ForwArd Search ExpeRiment) в CERN, были получены новые результаты по исследованию нейтрино от LHC [1]. Впервые были зарегистрированы электронные нейтрино, рожденные на коллайдере, и измерено сечение их взаимодействия. Ранее коллаборация FASER, также впервые, зарегистрировала мюонные нейтрино от коллайдера [2].
Нейтрино, рожденные на Большом адронном коллайдере, имеют энергии в диапазоне от сотен ГэВ до нескольких ТэВ. Это совершенно неисследованная область и новые данные позволяют связать результаты, полученные в ускорительных экспериментах для нейтрино с энергиями в диапазоне до нескольких десятков ГэВ с данными от нейтринных телескопов, таких как IceCube, Baikal-GVD, где регистрируются астрофизические нейтрино с гораздо более высокими, ПэВ-ными, энергиями.
Кроме того, нейтрино, которые регистрируются в эксперименте FASER, являются продуктами распада энергичных адронов, рождающихся при столкновении протонов на LHC, и вылетающих в так называемую переднюю область вдоль первичных пучков. Таким образом, нейтрино несут информацию о рождении таких адронов на коллайдере, что представляет немалый интерес для КХД.
Детектор FASER установлен на продолжении одного из протонных пучков, сталкивающихся в установке ATLAS, на расстоянии 480 м от нее. В эксперименте ведется поиск новых экзотических частиц, рождение которых теоретически возможно в ATLAS, в частности, темных фотонов и аксионов, в узком диапазоне углов около протонного пучка коллайдера (в передней области, не доступной для изучения в самом детекторе ATLAS).
Одновременное исследование нейтрино от коллайдера стало возможным благодаря дополнению установки FASER детектором FASER$\nu$, содержащим более тонны вольфрамовых пластин, чередующихся со слоями ядерной эмульсии, и способного регистрировать все типы нейтрино.
В опубликованной недавно статье сообщается об обнаружении в FASER$\nu$ первых четырех событий – кандидатов на взаимодействия электронных нейтрино. Имеющиеся оценки фона позволяют говорить, что достоверность регистрации электронных нейтрино превышает 5$\sigma$. Новые результаты получены в результате анализа небольшой части набранной в детекторе FASERv статистики, соответствующей 9,5 $фб^{-1}$. Анализ данных продолжается и в скором будущем ожидается обнаружение новых нейтрино от LHC.
Эксперимент FASER – пример того, как даже сегодня в физике частиц при наличии интересной идеи можно за короткий срок (в случае с FASER от идеи до получения первых результатов прошло около пяти лет) и относительно дешево создать детектор и получать на нем важные и актуальные результаты.
Коллаборация FASER относительно небольшая (менее 100 участников из 12 стран). ОИЯИ, вступивший в нее около трех лет назад, представлен группой сотрудников ЛЯП, у которых имеется большой опыт работы в экспериментах по физике нейтрино, в частности, в эксперименте OPERA. Кроме вклада в создание, обслуживание установки и подготовки к сеансам набора данных, группа ОИЯИ занимается моделированием, обработкой данных, в частности, анализом трековой информации в детекторе FASER$\nu$ и поиском вершин нейтринных событий, а также разработкой новых программ и алгоритмов анализа данных.
Вклад ОИЯИ в эксперимент достойно оценивается коллаборацией: на прошедшей недавно в Праге крупнейшей международной конференции по физике высоких энергий, ICHEP-2024, доклад от имени FASER по новым результатам исследований нейтрино на LHC представлял старший научный сотрудник ЛЯП ОИЯИ Сергей Дмитриевский.
Принятое не так давно в CERN решение о продолжении сотрудничества с ОИЯИ открывает перспективы для дальнейшего участия в научных исследованиях на FASER, которые включены в программу HL-LHC Run4 и запланированы вплоть до середины 30-х годов. Таким образом впереди много интересной работы, к которой хотелось бы привлечь новых молодых людей, в том числе студентов. В середине сентября в ЛЯП будет проходить семинар по эксперименту FASER, приходите!
Начальник сектора экспериментальной нейтринной физики НОЭФЭЧ ЛЯП
к.ф.-м.н. Ю. А. Горнушкин
[1] FASER Collaboration, Phys.Rev.Lett.133 (2024), 021802
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.021802
[2] FASER Collaboration, Phys.Rev.Lett. 131 (2023), 031801
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.031801
