CERN-fysiker Jamie Boyd går inn i en tunnel nær ATLAS-detektoren, et eksperiment med den største partikkelakseleratoren i verden. Derfra forvandler han seg til et underjordisk rom merket TI12.
“Dette er en veldig spesiell tunnel,” sier Boyd, “fordi det er her den gamle overføringslinjen pleide å eksistere for Large Electron-Positron Collider, før Large Hadron Collider.” Etter at LHC ble bygget, ble en ny overføringslinje lagt til, “og denne tunnelen ble deretter forlatt.”
Tunnelen er ikke lenger forlatt. Den nye beboeren er et eksperiment som er mye ydmykere i størrelse enn den nærliggende ATLAS-detektoren. Fem meter lang, ForwArd Search ExeRiment, eller FASER, detektoren sitter i en grunne utgravd grøft i gulvet, omgitt av lave rekkverk og kabler.
Forskere – inkludert Boyd, som fungerer som medtalsperson for FASER – installerte den relativt lille detektoren i 2021. Akkurat i tide før de startet LHC på nytt i april, plasserte fysikere et annet lite eksperiment, kalt Scattering and Neutrino Detector eller [email protected], på andre siden av ATLAS.
Begge detektorene er nå i gang og har begynt å samle inn data. Forskere sier de håper de to detektorene representerer begynnelsen på en ny innsats for å fange og studere partikler som LHCs fire hoveddetektorer ikke kan se.
Gjemte seg i synlige øyne
Både FASER og [email protected] oppdager partikler kalt nøytrinoer. For ikke å forveksle med nøytroner – partikler i atomkjernene som er bygd opp av kvarker – nøytrinoer kan ikke brytes ned til mindre bestanddeler. Sammen med kvarker, elektroner, myoner og taus, er nøytrinoer grunnleggende partikler av materie i standardmodellen for fysikk.
Disse lette, nøytrale partiklene er rikelig over hele galaksen. Noen har eksistert siden Big Bang; andre produseres i partikkelkollisjoner, for eksempel de som skjer når kosmiske stråler treffer atomene som utgjør jordens atmosfære. Hvert sekund passerer nøytrinoer gjennom oss i trillioner uten å etterlate spor – fordi de bare sjelden samhandler med annen materie.
Nøytrinoer produseres også ved kollisjoner ved LHC. Forskere er klar over deres tilstedeværelse, men i mer enn et tiår med LHC-fysikk ble nøytrinoer uoppdaget, ettersom ATLAS-, CMS-, LHCb- og ALICE-detektorene ble designet med andre typer partikler i tankene.
De fire største LHC-eksperimentene kan ikke oppdage nøytrinoer direkte, sier Milind Diwan, seniorforsker ved det amerikanske energidepartementets Brookhaven National Laboratory. Diwan var en opprinnelig talsmann for og talsmann for det som nå er Deep Underground Neutrino Experiment arrangert av Fermi National Accelerator Laboratory.
I 2021 ble FASER den første detektoren som fanget nøytrinoer ved LHC – eller en hvilken som helst partikkelkolliderer.
En ny måte å se på nøytrinoer
Nøytrinoer er kameleonene i partikkelverdenen. De kommer i tre smaker, kalt myon-, elektron- og tau-nøytrinoer for partiklene knyttet til dem. Når de reiser gjennom universet med nesten lysets hastighet, skifter nøytrinoer mellom de tre smakene. Både FASER og [email protected] kan oppdage alle tre smakene av nøytrinoer.
Detektorene vil bare fange en liten brøkdel av nøytrinoene som passerer gjennom dem, men høyenergikollisjonene til LHC skulle produsere et svimlende antall partiklene. For eksempel, under den nåværende kjøringen av LHC, som vil vare til slutten av 2025, anslår fysikere FASER og dens nye underdetektor, kalt FASERv (uttales FASERnu), vil oppleve en fluks på 200 milliarder elektronnøytrinoer, 6 billioner myonnøytrinoer og 4 milliarder tau-nøytrinoer, sammen med et sammenlignbart antall anti-nøytrinoer av hver smak.
“Vi er nå garantert å se tusenvis av nøytrinoer ved LHC for første gang,” sier Jonathan Feng, medtalsperson for FASER-samarbeidet.
Disse nøytrinoene vil ha de høyeste energiene som noen gang er sett fra en menneskeskapt kilde, sier Tomoko Ariga, prosjektleder for FASERv, som tidligere jobbet med DONUT nøytrino-eksperimentet. «Ved slike ekstreme energier, FASERv vil være i stand til å undersøke nøytrinoegenskaper på nye måter.”
Eksperimentene vil gi en ny måte å studere andre partikler også, sier Giovanni De Lellis, talsperson for både [email protected] og OPERA nøytrinoeksperimentet.
Fordi en stor brøkdel av nøytrinoene som produseres i området tilgjengelig for [email protected] vil komme fra henfall av partikler laget av sjarmkvarker, kan [email protected] brukes til å studere sjarm-kvark-partikkelproduksjon i en region som andre LHC-eksperimenter ikke kan utforske . Dette vil hjelpe både fysikere som studerer kollisjoner på fremtidige kollidere og fysikere som studerer nøytrinoer fra astrofysiske kilder.
FASER og [email protected] kan også brukes til å oppdage mørk materie, sier Diwan. Hvis mørk materiepartikler produseres i kollisjoner ved LHC, kan de skli bort fra ATLAS-detektoren langs strålelinjen – rett inn i FASER og [email protected]
Et forslag for fremtiden
Disse eksperimentene kan bare være begynnelsen. Fysikere har foreslått ytterligere fem eksperimenter – inkludert avanserte versjoner av FASER- og [email protected] – som skal bygges i nærheten av ATLAS-detektoren. Eksperimentene – FASERv2, Advanced SND, FASER2, FORMOSA og FLArE—kan sitte ved et foreslått Forward Physics Facility under neste fase av LHC, High-Luminosity LHC.
Den avanserte FASERv og [email protected] ville øke eksperimentets deteksjon av nøytrinoer med en faktor på 100, sier Feng. “Dette betyr for eksempel at i stedet for titalls tau-nøytrinoer, vil de oppdage tusenvis, slik at vi kan skille tau-nøytrinoer fra anti-tau-nøytrinoer og gjøre presisjonsstudier av disse to uavhengig for første gang.”
FLArE-eksperimentet, som ville oppdage nøytrinoer på en annen måte enn FASER og [email protected], kan også være følsomt for lys mørk materie.
Selv uten de foreslåtte fremtidige eksperimentene, er forskere klar til å lære mer om nøytrinoer fra studiene deres ved LHC. FASERv og [email protected] har allerede begynt å ta fysikkdata og forventes å presentere nye resultater i 2023.
“Nøytrinoer er fantastiske,” sier Feng. «Hver gang vi ser på dem fra en ny kilde, enten det er en atomreaktor eller solen eller atmosfæren, lærer vi noe nytt. Jeg gleder meg til å se hvilke overraskelser naturen har i vente.”