В эксперименте FASER в CERN получены новые результаты исследования нейтрино от LHC. Впервые зарегистрированы высокоэнергичные электронные нейтрино, рожденные на коллайдере. Об этом рассказывает начальник сектора экспериментальной нейтринной физики НОЭФЭЧ Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ к.ф.-м.н. Юрий Горнушкин.

Недавно в эксперименте FASER (ForwArd Search ExpeRiment) в CERN были получены новые результаты по исследованию нейтрино от LHC. Впервые были зарегистрированы электронные нейтрино, рожденные на коллайдере, и измерено сечение их взаимодействия. Ранее коллаборация FASER, также впервые, зарегистрировала мюонные нейтрино от коллайдера.

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, недоступной для изучения в самом детекторе ATLAS).

Одновременное исследование нейтрино от коллайдера стало возможным благодаря дополнению установки FASER детектором FASERv, содержащим более тонны вольфрамовых пластин, чередующихся со слоями ядерной эмульсии, и способного регистрировать все типы нейтрино.

В опубликованной недавно статье сообщается об обнаружении в FASERv первых четырех событий – кандидатов на взаимодействия электронных нейтрино. Имеющиеся оценки фона позволяют говорить, что достоверность регистрации электронных нейтрино превышает 5 сигма. Новые результаты получены после 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.

Одно из зарегистрированных событий регистрации электронного нейтрино в детекторе FASERnu

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 и обслуживание установки и подготовки к сеансам набора данных, группа ОИЯИ занимается моделированием, обработкой данных, в частности, анализом трековой информации в детекторе FASERv 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!