Postępy i przyszłość programu badawczego neutrin w LHC

Instalacja detektora eksperymentu FASER w tunelu LHC. Źródło: CERN Rozpoczęty w tym roku kolejny okres pracy LHC zainaugurował nowy kierunek badań w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Dotyczy on pomiarów wysokoenergetycznych neutrin, badań nad naturą oddziaływań spajających jądra atomowe oraz poszukiwania śladów tzw. nowej fizyki. W dniach 15–16 listopada podczas 5. międzynarodowego spotkania  wstępnie podsumowano działanie nowych detektorów FASER i SND@LHC i omówiono plany na przyszłość, w tym plany budowy nowych instalacji.

Dzięki swojej nieuchwytnej naturze, neutrina stanowią unikatowe źródło informacji o procesach zachodzących w ekstremalnych warunkach panujących np. w bardzo wczesnym Wszechświecie lub we wnętrzach gwiazd. Ponieważ bardzo słabo oddziałują one z materią, neutrina przenoszą informacje z miejsc, których nie sposób badać innymi metodami. Dzięki temu stanowią okno do zrozumienia zdarzeń bardzo rzadkich, które w przeciwnym wypadku utonęłyby w morzu innych procesów fizycznych. Badania neutrin pozwalają przyjrzeć się naturze takich procesów z bezpiecznego dystansu i w sposób pośredni dedukować o naturze samych oddziaływań fundamentalnych, w wyniku których neutrina powstały.

Ta podstawowa cecha neutrin jest obecnie wykorzystywana także do analizy rezultatów zderzeń protonów w LHC. Kolaboracje eksperymentalne FASER oraz SND@LHC prowadzą pomiary oddziaływań neutrin produkowanych w kierunku wzdłuż osi zderzających się protonów, aby lepiej zrozumieć przebieg ich produkcji w zderzaczu. Pozwala to m.in. na lepsze powiązanie wyników uzyskiwanych w LHC z zagadkami związanymi z obserwacją nieustannych zderzeń promieni kosmicznych z atmosferą ziemską. Badania te dają również wgląd w inne zagadnienia związane ze strukturą oddziaływań silnych, manifestujących się zarówno w zderzeniach protonów, jak i w samych oddziaływaniach neutrin w detektorach.

Na spotkaniu naukowcy z całego świata dyskutowali nad zaproponowanym rozszerzeniem programu neutrinowego w przyszłym okresie działania LHC i utworzeniem w tym celu dedykowanego nowego tunelu (ang. Forward Physics Facility, FPF). Zebrane tam dane pozwolą na analizę nawet ponad miliona oddziaływań neutrin, przy wysokiej precyzji pomiaru opartej na bardzo skupionej, wysokoenergetycznej wiązce tych cząstek. Wśród kilku eksperymentów proponowanych do umieszczenia w FPF są udoskonalone wersje obecnych detektorów, jak również nowe instrumenty badawcze, w tym ciekłoargonowy detektor FLArE. Pomysł ten został pierwotnie zaproponowany w pracy teoretycznej, której jednym z autorów jest dr Sebastian Trojanowski z centrum AstroCeNT, CAMK PAN oraz z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ. Praca dotyczy możliwych metod poszukiwań lekkich cząstek ciemnej materii w LHC. Obecnie ta idea jest rozwijana w kilku ośrodkach na świecie, z przewodnią rolą Brookhaven National Laboratory w USA.

Proponowany eksperyment FLArE to kolejny przykład detektora neutrin, który będzie można wykorzystywać również do poszukiwania śladów nowej fizyki, w szczególności takiej, która może manifestować się przy energiach odpowiednich dla LHC. „To, jak szybko ewoluują nasze pomysły i jak szeroki wydźwięk uzyskują w środowisku naukowym, jest niezwykle silną zachętą do dalszej pracy" – opowiada dr Trojanowski, który wraz z prof. Brianem Batell z Uniwersytetu Pittsburgh w USA, są przewodniczącymi grupy roboczej przy FPF poświęconej badaniom nad tzw. nową fizyką. "Powiązanie wyrazistego programu gwarantowanych pomiarów fizycznych z szerokim polem możliwych nowych odkryć naukowych, które jak zawsze mają bardziej spekulacyjny charakter, jest dla mnie i wielu zaangażowanych fizyków szczególnie atrakcyjne. Z zaciekawieniem czekamy na dalsze rezultaty pracy obecnych detektorów FASER i SND@LHC, jak również wypatrujemy możliwości kontynuacji tego programu w przyszłości działania zderzacza.”

Prace nad programem badawczym w LHC, prowadzone przez grupę kierowaną przez doktora Trojanowskiego w Zakładzie Fizyki Teoretycznej NCBJ, są współfinansowane z grantu Narodowego Centrum Nauki „Badanie lekkich cząstek ciemnego sektora Wszechświata” przyznanego w ramach programu SONATA BIS (o czym pisaliśmy tutaj: https://www.ncbj.gov.pl/aktualnosci/dwie-nowe-sonaty-bis-zakladzie-fizyki-teoretycznej).

Instalacja detektora eksperymentu FASER w tunelu LHC. Źródło: CERN