نوترینوهای پرانرژی برای نخستین بار در سرن مشاهده شدند
این دستاورد مهم در برخوردکننده بزرگ هادرونی (LHC) در مرکز سرن (CERN) با بهره‌گیری از آزمایشی موسوم به جستجوی رو به جلو (FASER) محقق شد.
نوترینو‌ها ذرات بنیادی با جرم بسیار کم و برهم‌کنش ضعیف با ماده هستند. این ذرات که با نام ذرات شبح‌وار نیز شناخته می‌شوند، سال‌ها فیزیکدانان را مجذوب خود کرده‌اند. با وجود فرا‌وانی آن‌ها و اینکه بی‌شمار نوترینو در هر ثانیه از زمین و بدن ما عبور می‌کنند، شناسایی آن‌ها چالش‌برانگیز است.
آکیتاکا آریگا، دانشیار دانشگاه چیبا و از رهبران این پژوهش، گفت این اولین نتیجه فیزیکی نوترینو‌ها از برخوردکننده ذرات است.
سه نوع نوترینو وجود دارد نوترینوهای الک‌ترون، نوترینوهای می‌ون و نوترینوهای تائو. تا پیش از این، سطح مقطع برهم‌کنش نوترینو در انرژی‌های بالا‌تر از ۳۰۰ گیگاالک‌ترون‌ولت برای نوترینوهای الک‌ترون و بین ۴۰۰ گیگاالک‌ترون‌ولت تا ۶ تراالک‌ترون‌ولت (۶۰۰۰ گیگاالک‌ترون‌ولت) برای نوترینوهای می‌ون اندازه‌گیری نشده بود.
پایه این کشف تازه، آشکارساز FASER است که بخش تخصصی آزمایش FASER در سرن محسوب می‌شود. این آشکارساز شامل ۷۳۰ لایه از صفحات تنگستن و فیلم‌های امولسیونی است که مجموع جرم آن به ۱.۱ تن می‌رسد. علاوه بر این، طراحی خاص آن امکان باز‌سازی مسیر‌های ذرات باردار ناشی از برهم‌کنش‌های نوترینو با دقت زیر می‌کرونی را فراهم می‌کند.
تیم پژوهش زیرمجموعه‌ای از حجم آشکارساز معادل ۱۲۸.۶ کیلوگرم را با تمرکز بر نوترینوهای پرانرژی ناشی از برخورد پروتون-پروتون در برخوردکننده بزرگ هادرونی تجزیه و تحلیل کرد.
آن‌ها چهار نامزد برهم‌کنش نوترینوهای الک‌ترونی و هشت نامزد نوترینوهای می‌ون را از طریق انتخاب دقیق شناسایی نمودند که همه دارای انرژی بالا‌تر از ۲۰۰ گیگاالک‌ترون‌ولت بودند.
محققان در بیانیه‌ای بر اهمیت آماری بالای این مشاهدات تأکید کردند و بیان داشتند که احتمال اینکه این رویداد‌ها نوسانات پس‌زمینه باشند بسیار دور از انتظار است، بنابراین آن‌ها نوترینوهای واقعی را نشان می‌دهند.
دکتر آریگا تصریح کرد این نتایج، توانایی مطالعه برهم‌کنش‌های نوترینویی در انرژی‌های تراالک‌ترون‌ولت با آشکارساز مبتنی بر امولسیون FASER در برخوردکننده بزرگ هادرونی را اثبات می‌کند.
پیشبرد مرز‌های سطوح انرژی
این نوترینوهای شناسایی‌شده پرانرژی‌ترین نوترینو‌هایی هستند که تا به امروز از یک منبع مصنوعی مشاهده شده‌اند و انرژی آن‌ها در محدوده تراالک‌ترون‌ولت قرار دارد.
به طور صریح، این مطالعه اولین اندازه‌گیری‌های مقطع برهم‌کنش نوترینو را در محدوده انرژی ۵۶۰ تا ۱۷۴۰ گیگاالک‌ترون‌ولت برای نوترینوهای الک‌ترون و ۵۲۰ تا ۱۷۶۰ گیگاالک‌ترون‌ولت برای نوترینوهای می‌ون ارائه می‌دهد.
این اندازه‌گیری‌ها یک شکاف مهم را پر می‌کنند، زیرا مطالعات قبلی برای نوترینوهای الک‌ترونی از ۳۰۰ گیگاالک‌ترون‌ولت و برای نوترینوهای می‌ون بین ۴۰۰ گیگاالک‌ترون‌ولت و ۶ تراالک‌ترون‌ولت فرا‌تر نرفته بودند. علاوه بر این، نتایج حاصل با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد مطابقت دارد.
توانایی مطالعه نوترینو‌ها در این انرژی‌های بالا می‌تواند به روشن کردن سوالات بنیادین در فیزیک نظیر اینکه چرا ذرات جرم دارند و چرا ماده بیشتر از پادماده در جهان وجود دارد، کمک کند.
جزئیات تحقیقات این تیم به تازگی در مجله منتشر شده است.