Rejestrowanie neutrin pochodzących ze zderzacza cząstek? To jeszcze nigdy się nie udało. Istniejące detektory wyłapują neutrina atmosferyczne albo – gdy szczęście dopisze – pochodzące z odległych zakątków Wszechświata.
Teraz jednak naukowcy wykorzystali detektor cząstek nazwany FASER (ang. ForwArd Search ExpeRiment) zbudowany w CERN. Z jego pomocą po raz pierwszy przeprowadzono z sukcesem eksperyment łapania niemal nieuchwytnej cząstki, jaką jest neutrino. W niedzielę na konferencji we Włoszech ogłoszono, że z pomocą FASER udało się zarejestrować neutrina powstające w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).
– W zderzaczach uderzają o siebie dwa strumienie cząstek o gigantycznych energiach – mówił Jonathan Feng, fizyk cząstek z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine (UCI). – Zarejestrowaliśmy neutrina pochodzące z tego zupełnie nowego źródła: zderzenia cząstek w LHC – dodał.
Jak złapać nieuchwytne neutrino?
Z neutrinami kłopot miał już ich odkrywca. Wolfgang Ernst Pauli był jednym z twórców mechaniki kwantowej. W 1930 r. Pauli badał pewien rodzaj rozpadu jądra atomowego – rozpad beta. Zauważył wówczas, że dane eksperymentalne nie zgadzają się z zasadą zachowania energii. By zlikwidować problem, Pauli zaproponował wprowadzenie do równań dodatkowego składnika. Miał on reprezentować nieznaną jeszcze nauce cząstkę.
Wiązał się z tym jednak pewien kłopot. By nowa cząstka spełniała swoje zadanie, musiała mieć niezwykle małą masę, być obojętna elektrycznie i na dodatek nie reagować z materią. Pauli był przekonany, że wymyślił cząstkę, której nie da się wykryć.
Na szczęście się mylił. W 1954 r. Frederick Reines i Clyde Cowen znaleźli sposób na zarejestrowanie neutrina pochodzącego z reaktora jądrowego. Posłużył do tego zbiornik wypełniony wodą z chlorkiem kadmu. Obaj naukowcy otrzymali za swoje osiągnięcia Nagrody Nobla w 1995 roku.
Detektor cząstek nazwany FASER / fot. CERN
Podziemne detektory neutrin
Od tej pory zbudowano wiele detektorów neutrin. Większość konstruuje się głęboko pod ziemią. Słynny detektor Super-Kamiokande działa w nieczynnej kopalni cynku w Japonii. Amerykański Sudbury Neutrino Observatory zlokalizowano w kopalni niklu. Pod lodem bieguna południowego pracuje z kolei IceCube. To właśnie ten detektor w 2018 r. po raz pierwszy zarejestrował wysokoenergetyczne neutrino pochodzące z konkretnego źródła w odległym kosmosie.
Detektory wychwytują różne rodzaje neutrin, zależne od źródła i energii. Np. IceCube raz na kilka minut rejestruje pojawianie się neutrin atmosferycznych. Czyli neutrin powstających w górnych warstwach atmosfery w wyniki zderzeń cząstek promieniowania kosmicznego z atomami atmosfery. Uchwycenie wysokoenergetycznych neutrin z dalekiego kosmosu zdarza się znacznie rzadziej.
Neutrina ze zderzaczy cząstek?
Ziemia jest dosłownie skąpana w deszczu kosmicznych neutrin. W każdej sekundzie centymetr kwadratowy naszej planety bombarduje aż 60 mld neutrin pochodzących z kosmosu. Neutrina powstają też na Ziemi. Ich źródłem jesteśmy chociażby my sami. W organizmie każdego człowieka znajdują się śladowe ilości potasu-40. Gdy ulega rozpadowi, powstają neutrina. Nieustannie emitujemy kilka tysięcy tych cząstek.
Są to jednak oczywiście neutrina niskich energii. Naukowców zaś szczególnie interesują wysokoenergetyczne neutrina. I tutaj niezwykle przydatny może okazać się FRASER. W CERN-ie zderzane są strumienie wysokoenergetycznych cząstek. W tych zderzeniach tworzą się najbardziej energetyczne neutrina, jakie kiedykolwiek powstały w laboratoriach, i podobne do tych, który nadlatują z kosmosu.
– Neutrina rejestrowane w LHC mogą nam powiedzieć pewne rzeczy o dalekim kosmosie, których nie moglibyśmy dowiedzieć się w inny sposób – zauważa Jamie Boyd, fizyk cząstek z CERN.
Detektor na ścianie tunelu
FASER wyróżnia się na tle innych eksperymentów polegających na rejestrowaniu cząstek kilkoma nietypowymi cechami. Jest nieduży – waży ledwie tonę i zmieścił się w jednym z bocznych tuneli LHC. Dla porównania – wchodzący w skład LHC detektor ATLAS ma wysokość kilku pięter i waży tysiące ton. FASER powstał też bardzo szybko. Jego zaprojektowanie i zbudowanie zajęło zaledwie kilka lat, na dodatek przy wykorzystaniu materiałów i części pozostałych po innych eksperymentach.
– Neutrina były jedynymi znanymi cząstkami, których nie można było bezpośrednio wykryć z pomocą różnych detektorów znajdujących się w LHC – zauważa Dave Caser, fizyk eksperymentalny z UCI. - Dzięki sukcesowi, jaki odniósł FASER, wreszcie można wykorzystać pełny naukowy potencjał Wielkiego Zderzacza Hadronów.
Naukowcy mają nadzieję, że FASER spełni jeszcze jedną funkcję. Poza wychwytywaniem neutrin jego zdaniem jest poszukiwanie nowych, nieznanych jeszcze nauce cząstek. Takich jak cząstki, z których mogłaby się składać ciemna materia. Czyli postulowany brakujący składnik Wszechświata.
