Большой адронный коллайдер помог измерить сечение взаимодействия нейтрино

Физики из эксперимента FASER на Большом адронном коллайдере измерили сечение взаимодействия электронных и мюонных нейтрино. При этом диапазон их энергий превысил тераэлектронвольт — это самые высокие энергии зарегистрированных нейтрино, произведенных в лабораторных условиях. Статья об этом измерении опубликована в Physical Review Letters.

Нейтрино играет важную роль в физике элементарных частиц. В частности, за открытие нейтринных осцилляций в 2015 году была присуждена Нобелевская премия. Но изучать нейтрино крайне сложно из-за очень слабого взаимодействия этих частиц с веществом. Впрочем, физики уже научились регистрировать эти частицы в области сверхвысоких энергий, строя гигантские детекторы с толщей льда или воды. В области низких энергий ученые также достигли существенного прогресса и даже сумели зарегистрировать нейтрино низких энергий от солнечных нейтрино. Однако диапазон энергий нейтрино примерно от 300 гигаэлектронвольт до 10 тераэлектронвольт до сих пор плохо изучен.

Источником нейтрино в этом диапазоне энергий служит Большой адронный коллайдер, но и здесь есть трудности. Большая часть нейтрино летит практически вдоль пучка, где летит еще множество других частиц, затрудняя выделение нейтринных сигналов. Лишь недавно физики из эксперимента FASER сообщили о первой регистрации нейтрино на Большом адронном коллайдере. Вслед за ними ученые из эксперимента SND@LHC зарегистрировали восемь нейтринных сигналов.

Теперь физики из коллаборации FASER не только сообщили о регистрации электронных и мюонных нейтрино на Большом адронном коллайдере, но и смогли измерить сечение взаимодействия этих нейтрино с веществом детектора. Для этого ученые использовали детектор FASER𝜈, состоящий из слоев фотоэмульсии, перемежающихся со слоями вольфрама. Физики проанализировали данные, набранные во внутренней части детектора, что соответствует примерно 129 килограммам детектирующего вещества. Интегральная светимость за период набора данных составила 9,5 обратных фемтобарн с энергией 13,6 тераэлектронвольта в системе центра масс сталкивающихся протонов.

В результате анализа данных физикам удалось отобрать четыре кандидата в события от взаимодействий электронных нейтрино и восемь кандидатов в события от взаимодействий мюонных нейтрино. Статистическая значимость в обоих случаях составила более пяти стандартных отклонений. На основании этих результатов ученым удалось рассчитать сечение взаимодействия этих нейтрино с веществом детектороа, при этом измеренные энергии нейтрино оказались в диапазоне от 520 до 1760 гагаэлектронвольт. Результаты измерений совпали с теоретическим предсказанием Стандартной модели.

По словам ученых, это первое измерение сечения взаимодействия нейтрино с веществом в этом диапазоне энергий, а также первая надежная регистрация электронных нейтрино, рожденных на ускорителе в этом диапазоне энергий.

Физики работают над изучением нейтрино в различных энергетических диапазонах и от различных источников для проверки теории. Например, недавно мы писали как ученые проверяли, действует ли на нейтрино квантовая гравитация.