Schließlich kollidierte das "Geisterteilchen"

Die Vorstellung des Neutrino-Konzepts war so dramatisch wie ein Geistesblitz, während die Entdeckung der Neutrinos und die Feststellung ihrer grundlegenden physikalischen Eigenschaften das Ergebnis langjähriger und mühsamer Bemühungen experimenteller Teilchenphysiker waren. Allerdings erfolgten die Produktion und der Nachweis von kosmischen Strahlungsneutrinos oder Sonnenneutrinos immer passiv, und die in Reaktoren oder Experimenten mit festen Zielen erzeugten Neutrinos haben relativ niedrige Energien. Im März 2023 gab das FASER-Experiment die erste direkte Beobachtung von Neutrinos mit höherer Energie an einem Kollider bekannt.

Geschrieben von Chen Xin, Hu Zhen und Wang Qing (Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Im März dieses Jahres gab FASER (Forward Search Experiment) [1] auf der 57. Rencontres de Moriond-Konferenz über elektroschwache Wechselwirkungen und einheitliche Theorie in Italien die erste direkte Beobachtung von Neutrinos am Large Hadron Collider bekannt. Dies ist wichtig für unser Verständnis der grundlegenden Eigenschaften von Neutrinos und Beobachtungen in der Teilchenastrophysik.

Neutrinos sind ungeladen und haben eine sehr geringe Masse (weniger als ein Millionstel eines Elektrons). Sie bewegen sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit, nehmen nur an sehr schwachen Wechselwirkungen teil und verfügen über eine extrem starke Durchdringungskraft. Hunderte Milliarden Neutrinos fließen in jedem Moment durch unseren Körper, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Aus diesem Grund haben Neutrinos den Spitznamen „Geisterteilchen“ erhalten. Der Nachweis von Neutrinos ist äußerst schwierig. Selbst wenn ein Neutrino ein Material durchdringt, das so dick ist wie der Durchmesser der Erde, reagiert nur etwa eines von 10 Milliarden mit dem Material. Tatsächlich werden bei den meisten Prozessen der Teilchenphysik und Kernphysik Neutrinos erzeugt und absorbiert, wie etwa bei der Stromerzeugung in Kernreaktoren (Kernspaltung), der Lumineszenz der Sonne (Kernfusion), der natürlichen Radioaktivität (Betazerfall), Supernova-Explosionen, der kosmischen Strahlung usw. Unsere Möglichkeiten, Neutrinos nachzuweisen, sind jedoch recht begrenzt. Darüber hinaus finden die meisten Neutrinoexperimente unter der Erde oder unter Eis statt und erfordern den Einsatz von Detektoren ausreichender Größe in einer Umgebung aus ultrareinem Wasser oder flüssigem Szintillator. Beispiele hierfür sind das chinesische Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, das japanische Super-Kamiokande Neutrino Detection Experiment, das IceCube-Experiment der USA und die im Bau befindliche Jiangmen Neutrino Experiment Station in China mit 20.000 Tonnen flüssigem Szintillator. Sie werden entweder zum Nachweis von Reaktorneutrinos oder zum Auffangen von Spuren kosmischer Strahlungsneutrinos oder Sonnenneutrinos verwendet.

Natürlich können Neutrinos auch am Large Hadron Collider (LHC) in Europa in großen Mengen erzeugt werden, aber die vier wichtigsten großen Detektoren am LHC, nämlich ALICE, ATLAS, CMS und LHCb, sind nicht geeignet, Signale von Licht und extrem schwach wechselwirkenden Teilchen zu detektieren, die parallel zu den Teilchenstrahllinien erzeugt werden, wie etwa Neutrinos und dunkle Photonen (Anmerkung: die Existenz dunkler Photonen wurde bisher nicht bestätigt). Obwohl der Impuls von Neutrinos senkrecht zur Strahllinie berechnet werden kann, handelt es sich dabei nur um eine indirekte Messung, die auf dem Prinzip der Impulserhaltung basiert.

Im Jahr 2019 erkannten einige weitsichtige Theoretiker und eine Gruppe von Experimentalforschern, die an den vier Detektoren arbeiteten, diese Einschränkung und reichten bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) einen Vorschlag zum Bau eines kleinen Detektors zum Nachweis langlebiger Teilchen (LLPs) und Neutrinos jenseits des Standardmodells ein, der schnell genehmigt wurde. Dieser Detektor trägt den Namen FASER. Es befindet sich 480 Meter vom vorderen Ende von ATLAS entfernt entlang der Tangentenrichtung der Protonenstrahllinie. Es wird verwendet, um die Zerfallsprodukte von LLP zu erkennen, die im ATLAS-Kollisionszentrum erzeugt werden. Dieser Teilchentyp ist normalerweise sehr leicht und weist eine sehr schwache Kopplungsstärke mit den Teilchen des Standardmodells auf, sodass er den Augen gewöhnlicher Detektoren leicht entgehen kann. Wenn die Masse nicht zu klein ist, zerfällt es in Leptonen oder Photonenpaare. Durch die Platzierung eines Detektors in seiner Flugbahn können die Zerfallsprodukte dieser LLP-Partikel erkannt und so ihre Existenz bestätigt werden. LLP-Partikel können dunkle Photonen, Axion-ähnliche Partikel oder Skalarpartikel mit ungerader CP-Parität sein. Im Allgemeinen ist die Ausbeute an LLP und Neutrinos entlang der Tangentialrichtung der Strahllinie am höchsten und es besteht auch die größte Hoffnung, LLP und Neutrinos zu erkennen.

FASER befindet sich im TI12-Tunnel der Europäischen Organisation für Kernforschung, der den LHC und das nahegelegene Super Proton Synchrotron (SPS) verbindet. Nachdem das LLP im ATLAS-Detektor erzeugt wurde, fliegt es eine gerade Strecke von 480 Metern, bevor es in FASER eintritt. Seine Zerfallsprodukte werden auf dem Weg dorthin von FASER erkannt. Während dieses Vorgangs durchquerte die LLP 10 Meter Zement und 90 Meter Fels, bevor sie FASER erreichte. Viele Modelle jenseits des Standardmodells sagen die Existenz von LLP-Partikeln voraus. Diese Modelle versuchen, einige der größten Rätsel der Physik zu lösen, etwa die Natur der dunklen Materie, den Ursprung der Neutrinomasse und den enormen Unterschied in der Menge an Materie und Antimaterie.

Abbildung 1: Im Inneren des TI12-Tunnels

Abbildung 2: FASER im TI12-Tunnel installiert

FASER umfasst außerdem einen Subdetektor namens FASERν, der speziell für die Erkennung von Neutrinos aus dem ATLAS-Kollisionszentrum entwickelt wurde. Die Wechselwirkungen im Energiebereich dieser Neutrinos wurden noch nicht im Detail untersucht und ihre Reaktionsquerschnitte wurden noch nicht gemessen. Die elektronischen Detektoren von FASER können die vom Kollider erzeugten Neutrinos nicht erfassen, da nicht genügend Zielmaterial vorhanden ist, um die sehr schwachen Wechselwirkungen zwischen Neutrinos und Materie zu erzeugen. FASERν besteht aus Tausenden abwechselnden Wolfram-Absorptionsplatten und Kernlatex und kann sowohl als Zielmaterial als auch als Detektor zur Beobachtung der Wechselwirkung zwischen Neutrinos und Materie verwendet werden. Im Jahr 2021 gab der zur Verifizierung verwendete FASERν-Pilotdetektor die Ergebnisse der im Jahr 2018 gesammelten Daten bekannt und meldete die erste Erkennung von 6,1 Neutrino-Kandidatenereignissen aus dem Collider [2].

Abbildung 3: Bild eines Neutrino-Kandidatenereignisses in einem nuklearen Latexdetektor

Letztes Jahr wurde das FASER-Experiment gleichzeitig mit der Datenerfassung von LHC Run 3 gestartet. Auf der elektroschwachen Konferenz Rencontres de Moriond im März dieses Jahres gab FASER die erste direkte Beobachtung von Collider-Neutrinos bekannt [3, 4, 5]. Insbesondere beobachtete FASER Kandidatenereignisse für Myon-Neutrinos und Elektron-Neutrinos. „Unsere statistische Signifikanz lag bei etwa 16 Standardabweichungen, was deutlich über dem Schwellenwert von 5 Standardabweichungen liegt, ab dem man von einer Entdeckung sprechen kann“, erklärte Jamie Boyd, ein Co-Sprecher von FASER. Die bei dieser Analyse erkannten Neutrinos interagieren zunächst über elektrischen Strom mit dem FASER-Detektor und erzeugen Myonen, die dann vom Silizium-Mikrostreifendetektor der FASER-Elektronik erkannt werden. Das FASER-Experiment verwendet etwa Dutzende von Silizium-Mikrostreifenmodulen, um Spurpunkte geladener Teilchen zu erkennen und zu rekonstruieren. Diese Module sind Ersatzmodule für den ATLAS-Siliziumdetektor und werden mit Genehmigung der ATLAS-Kollaborationsgruppe direkt im FASER-Detektor verwendet. Diese Signalereignisse über dem Hintergrund sollen künftig in Streuquerschnitte der Neutrino-Materie-Wechselwirkungen umgerechnet und mit theoretischen Berechnungen verglichen werden.

Die experimentellen Ergebnisse von FASER markierten zudem das erste Mal, dass Neutrinos in einem Teilchenbeschleuniger eindeutig nachgewiesen wurden. „Wir haben Neutrinos aus einer völlig neuen Quelle entdeckt, einem Teilchenbeschleuniger, in dem zwei Teilchenstrahlen bei extrem hohen Energien kollidieren und dabei Neutrinos bilden“, sagte Xiaoren Feng, Co-Sprecher der FASER-Kollaboration und Initiator des Projekts sowie Teilchenphysiker an der University of California in Irvine.[6] Ein weiteres Experiment, SND@LHC, berichtete auf der Moriond-Konferenz ebenfalls über seine ersten Ergebnisse und zeigte acht Myon-Neutrino-Kandidatenereignisse. „Wir arbeiten noch an der Bewertung der systematischen Unsicherheiten des Hintergrunds. Als vorläufiges Ergebnis können wir sagen, dass unsere Beobachtungen eine Genauigkeit von fünf Standardabweichungen aufweisen“, ergänzt SND@LHC-Sprecher Giovanni De Lellis [4]. Der SND@LHC-Detektor wurde gerade rechtzeitig zum Start von LHC Run 3 im LHC-Tunnel installiert.

Bisher wurden in Neutrinoexperimenten nur Neutrinos untersucht, die von der Sonne, Supernova-Explosionen, der Atmosphäre, der Erde, Kernreaktoren oder Festzielexperimenten stammen. Unter ihnen ist die Energie von Neutrinos von Himmelskörpern im Weltraum oft sehr hoch. Beispielsweise kann die Energie der vom IceCube-Experiment in der Antarktis nachgewiesenen Neutrinos die Größenordnung von 10 PeV erreichen; die Energie der von der Sonne und Reaktoren erzeugten Elektronneutrinos liegt normalerweise unter 10 MeV; und die Neutrinos in Experimenten mit festen Zielen können mehrere hundert GeV erreichen. Das FASER-Experiment füllt den leeren Energiebereich dazwischen – zwischen einigen hundert GeV und einigen TeV.

Chen Shaomin, Professor am Institut für Technische Physik und Direktor des Instituts für Moderne Physik der Tsinghua-Universität, sagte: „Das FASER-Experiment nutzte den Beschleuniger, um statistisch signifikante Neutrinos mit Energien von mehreren hundert GeV bis zu mehreren TeV zu beobachten und die vom IceCube-Experiment beobachteten TeV-Hochenergieneutrinos zurück ins Labor zu bringen. Dies bietet nicht nur die Möglichkeit, die Eigenschaften solcher Hochenergieneutrinos zu untersuchen, sondern bringt auch die Erforschung des Ursprungs kosmischer Strahlung durch Hochenergieneutrinos der Ära der Präzisionsmessung einen Schritt näher.“[7]

Die Forschung von FASER ist auch für das Verständnis des atmosphärischen Hintergrunds astronomischer Neutrinos von großer Bedeutung. Die Kollisionen kosmischer Strahlung mit atmosphärischen Molekülen und Atomen erzeugen eine große Menge an Neutrinohintergrund. Die durch diese Kollisionen in das Schwerpunktbezugssystem der einfallenden hochenergetischen Teilchen und der kollidierten Teilchen umgewandelte Energie ähnelt der Kollisionsenergie des LHC. Die Forschung von FASER zu Neutrinos in diesem Energiebereich wird den Weg für die Beobachtung astrophysikalischer Neutrinos ebnen.

Abbildung 4: Schematische Darstellung der FASER-Erkennung von Neutrinoereignissen im Collider

Die Erzeugung und Erkennung von Geisterteilchen an den höchsten Grenzen der vom Menschen erzeugten Energien eröffnet neue Wege in der Grundlagenforschung. Die experimentellen Ergebnisse von FASER haben uns neue Möglichkeiten eröffnet, den Mechanismus der Neutrinoproduktion, das Verhalten von Partonen mit niedrigem Impuls in Protonen, die Physik der vorderen Zone des Kollisionspunkts usw. zu verstehen. Wir freuen uns darauf, dass FASER in der Zukunft weitere Arten von Neutrinos aus dem Beschleuniger detektieren und das Verhältnis unterschiedlicher Arten von Neutrinoereignissen genau bestimmen kann (was ein wichtiger Test des Standardmodells im Neutrinofeld sein wird) und Hinweise für die Suche nach möglichen neuen physikalischen Signalen wie sterilen Neutrinos und Dunkle-Materie-Teilchen liefern wird.

Die FASER-Zusammenarbeit umfasst mittlerweile mehr als 80 Forscher aus 22 Partnerinstitutionen auf der ganzen Welt. Die Tsinghua-Universität in China war eines der 16 Gründungsmitglieder der FASER-Zusammenarbeit, als diese ins Leben gerufen wurde, und hat zum Aufbau, Betrieb und zur Datenanalyse des FASER-Experiments beigetragen[7].

Verweise

[1] https://faser.web.cern.ch/

[2] https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.L091101

[3] https://arxiv.org/abs/2303.14185

[4] https://home.cern/news/news/experiments/new-lhc-experiments-enter-uncharted-territory

[5] https://indico.cern.ch/event/1227016/contributions/5314959/attachments/2614023/4517266/FaserPhysicsResults.pdf

[6] https://news.uci.edu/2023/03/20/uc-irvine-led-team-is-first-to-detect-neutrinos-made-by-particle-collider/

[7] https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1229/5480.htm

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