نگاهی به یک نامرئی؛ مشاهده نوترینوهای پرانرژی در آزمایشگاه «سرن» برای اولین بار

پژوهشگران به طور مستقیم برهمکنش‌های نوترینوهای الکترون و میون با انرژی بالا را برای اولین بار در محدوده انرژی ترا ‌الکترون ولت(TeV) مشاهده کردند.

این لحظه مهم در برخورد دهنده بزرگ هادرونی(LHC) در مرکز سرن(CERN) با استفاده از آزمایشی موسوم به جستجوی رو به جلو(FASER) به دست آمد.

نوترینوها ذرات بنیادی با جرم بسیار کم و برهمکنش ضعیف با ماده هستند. آنها که با نام «ذرات شبح‌وار» نیز شناخته می‌شوند، مدت‌های مدید است که فیزیکدانان را مجذوب خود کرده‌اند. با وجود فراوانی آنها و این واقعیت که نوترینوهای بی‌شماری در هر ثانیه از زمین و بدن ما عبور می‌کنند، تشخیص آنها چالش برانگیز است.

آکیتاکا آریگا دانشیار دانشگاه چیبا و یکی از رهبران این پژوهش گفت: این اولین نتیجه فیزیکی نوترینوها از برخورد دهنده ذرات است.

نگاهی به یک نامرئی

سه نوع از نوترینوها وجود دارد که شامل نوترینوهای الکترون(ve)، نوترینوهای میون(νμ) و نوترینوهای تائو(ντ) هستند. تاکنون سطح مقطع برهمکنش نوترینو در انرژی‌های بیش از ۳۰۰ گیگاالکترون‌ولت(GeV) برای نوترینوهای الکترون و بین ۴۰۰ گیگاالکترون‌ولت و شش ترا الکترون‌ولت(۶۰۰۰ گیگا الکترون‌ولت) برای نوترینوهای میون اندازه‌گیری نشده بود.

پایه این کشف جدید، آشکارساز FASERν است که جزء تخصصی آزمایش FASER در سرن است. این آشکارساز شامل ۷۳۰ لایه از صفحات تنگستن و فیلم‌های امولسیونی است که مجموع جرم آن به ۱.۱ تن می‌رسد. علاوه بر این آشکارساز FASERν دارای طراحی خاصی است که اجازه می‌دهد مسیرهای ذرات باردار ناشی از فعل و انفعالات نوترینو با دقت زیر میکرونی بازسازی شوند.

این تیم زیرمجموعه‌ای از حجم آشکارساز در معرض، معادل ۱۲۸.۶ کیلوگرم را با تمرکز بر نوترینوهای پرانرژی تولید شده توسط برخورد پروتون-پروتون برخورد دهنده بزرگ هادرونی تجزیه و تحلیل کردند.

آنها چهار نامزد برهمکنش نوترینوهای الکترونی و هشت نوترینویی میون را از طریق انتخاب دقیق شناسایی کردند که همگی دارای انرژی بالاتر از ۲۰۰ گیگا ولت بودند.

این تیم در یک بیانیه، اهمیت آماری بالای این مشاهدات را برجسته کرد. محققان می‌گویند این نشان می‌دهد که بسیار بعید است که آنها نوسانات پس‌زمینه باشند و بنابراین نوترینوهای واقعی را نشان می‌دهند.

دکتر آریگا تاکید کرد: این نتایج، توانایی مطالعه برهمکنش‌های نوترینویی در انرژی‌های ترا الکترون ولت با آشکارساز مبتنی بر امولسیون FASERν در برخورد دهنده بزرگ هادرونی را نشان می‌دهد.

پیشبرد مرزهای سطوح انرژی

این نوترینوهای شناسایی شده پرانرژی‌ترین نوترینوهایی هستند که تاکنون از یک منبع مصنوعی مشاهده شده‌اند و دارای انرژی در محدوده ترا الکترون ولت هستند.

به شکل مشخص، این مطالعه اولین اندازه‌گیری‌های مقطع برهمکنش نوترینو را در محدوده انرژی ۵۶۰ تا ۱۷۴۰ گیگا الکترون ولت برای نوترینوهای الکترون و ۵۲۰ تا ۱۷۶۰ گیگا ولت برای نوترینوهای میون ارائه می‌کند.

این اندازه‌گیری‌ها یک شکاف مهم را پر می‌کنند، زیرا مطالعات قبلی برای نوترینوهای الکترونی از ۳۰۰ گیگا الکترون ولت و برای نوترینوهای میون بین ۴۰۰ گیگا الکترون ولت و ۶ ترا الکترون ولت فراتر نرفته بودند. علاوه بر این، این اندازه‌گیری‌ها با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد مطابقت داشتند.

توانایی مطالعه نوترینوها در این انرژی‌های بالا می‌تواند سوالات اساسی در فیزیک را مانند اینکه چرا ذرات جرم دارند و چرا ماده بیش از پادماده در جهان وجود دارد، روشن کند.

جزئیات تحقیقات این تیم به تازگی در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.