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 منفعت گیری از آزمایشی موسوم به جستجوی رو به جلو(FASER) به دست آمد.

نوترینوها ذرات بنیادی با جرم زیاد کم و برهمکنش ضعیف با ماده می باشند. آنها که با نام «ذرات شبح‌وار» نیز شناخته خواهد شد، زمان‌های مدید است که فیزیکدانان را مجذوب خود کرده‌اند. با وجود بسیاری آنها و این حقیقت 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 او 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) می باشند. تا بحال سطح مقطع برهمکنش نوترینو در انرژی‌های بیشتر از ۳۰۰ گیگاالکترون‌ولت(GeV) برای نوترینوهای الکترون و بین ۴۰۰ گیگاالکترون‌ولت و شش ترا الکترون‌ولت(۶۰۰۰ گیگا الکترون‌ولت) برای نوترینوهای میون اندازه‌گیری نشده می بود.

پایه این کشف تازه، 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 تشکیل 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 همه انها دارای انرژی بالاتر از ۲۰۰ گیگا ولت بودند.

این تیم در یک بیانیه، اهمیت آماری بالای این مشاهدات را برجسته کرد. محققان می‌گویند این مشخص می کند که زیاد دور از انتظار است که آنها نوسانات بعد‌عرصه باشند و به این علت نوترینوهای واقعی را نشان خواهند داد.

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

پیشبرد مرزهای سطوح انرژی

این نوترینوهای شناسایی شده پرانرژی‌ترین نوترینوهایی می باشند که تا بحال از یک منبع مصنوعی مشاهده شده‌اند و دارای انرژی در محدوده ترا الکترون ولت می باشند.

به شکل اشکار، 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 اراعه می‌کند.

این اندازه‌گیری‌ها یک شکاف مهم را پر می‌کنند، چون 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 همانند این که چرا ذرات جرم دارند و چرا ماده بیشتر از پادماده در جهان وجود دارد، روشن کند.

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