Sono particelle minuscole e senza carica elettrica e sebbene si stimi che siano le più abbondanti nell’universo, osservarle si è finora dimostrato molto impegnativo, poiché la probabilità che interagiscano con altra materia è bassa.
Hanno una massa infinitesimale e sono privi di carica elettrica: i neutrini riescono a passare attraverso l’intero nostro pianeta quasi indisturbati. In questo momento il vostro pollice è attraversato da qualche miliardo di questi oggetti sfuggenti.
Per rilevare queste particelle, i fisici hanno utilizzato rivelatori e apparecchiature avanzate per esaminare fonti note di neutrini, come ad esempio il Sole.
I loro sforzi alla fine hanno portato all’osservazione di neutrini provenienti dalla nostra stella, raggi cosmici, supernove e altri oggetti cosmici, così come acceleratori di particelle e reattori nucleari.
Un obiettivo di lunga data in questo campo di studio era quello di osservare i neutrini all’interno dei collisori, acceleratori di particelle in cui due fasci di particelle si scontrano tra loro.
Due grandi collaborazioni di ricerca, vale a dire FASER (Forward Search Experiment) e SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, hanno osservato questi neutrini collisori per la prima volta, utilizzando rivelatori situati al Large Hadron Collider (LHC) del CERN in Svizzera. I risultati dei loro due studi sono stati recentemente pubblicati su Physical Review Letters.
“I neutrini sono prodotti molto abbondantemente nei collisori di protoni come l’LHC”, ha detto Cristovao Vilela, parte della SND@LHC Collaboration.
“Tuttavia, fino ad ora, questi neutrini non erano mai stati osservati direttamente. La debole interazione dei neutrini con altre particelle rende la loro rilevazione molto difficile e per questo sono le particelle meno studiate nel Modello Standard della fisica delle particelle”.
La collaborazione tra FASER e SND@LHC rappresenta due distinti sforzi di ricerca, entrambi utilizzando LHC al CERN.
Recentemente, hanno osservato in modo indipendente i primi neutrini collisori, che potrebbero aprire nuove importanti strade per la ricerca sperimentale sulla fisica delle particelle.
La collaborazione FASER è un grande progetto di ricerca stabilito con l’obiettivo di osservare la luce e le particelle debolmente interagenti.
FASER è stato il primo gruppo di ricerca ad osservare i neutrini all’LHC, utilizzando il rivelatore FASER, che si trova a oltre 400 metri di distanza dal famoso esperimento ATLAS, in un tunnel separato.
FASER (e SND@LHC) osservano i neutrini prodotti nella stessa “regione di interazione” all’interno dell’LHC di ATLAS.
“I collisori di particelle esistono da oltre 50 anni e hanno rilevato ogni particella conosciuta tranne i neutrini”, ha detto Jonathan Lee Feng, co-portavoce della FASER Collaboration.
“Allo stesso tempo, ogni volta che i neutrini sono stati scoperti da una nuova fonte, che si tratti di un reattore nucleare, del sole, della Terra o di supernove, abbiamo imparato qualcosa di estremamente importante sull’universo. Come parte del nostro recente lavoro, abbiamo deciso di rilevare per la prima volta i neutrini prodotti in un collisore di particelle”
La collaborazione FASER ha osservato i neutrini collisori posizionando il loro rivelatore lungo la linea del fascio, seguendo le loro traiettorie.
“Poiché questi neutrini hanno alti flussi e alte energie, il che li rende molto più propensi a interagire, siamo stati in grado di rilevarne 153 con un rivelatore molto piccolo e poco costoso che è stato costruito in un tempo molto breve”, ha spiegato Feng.
In precedenza, si pensava che la fisica delle particelle fosse divisa in due parti: esperimenti ad alta energia, che erano necessari per studiare particelle pesanti, come i quark top e i bosoni di Higgs, e esperimenti ad alta intensità, che erano necessari per studiare i neutrini.
Questo lavoro ha dimostrato che gli esperimenti ad alta energia possono anche studiare i neutrini, e così ha riunito le frontiere ad alta energia e ad alta intensità”.
I neutrini rilevati da Feng e dal resto della collaborazione FASER hanno la più alta energia mai registrata in un ambiente di laboratorio.
Potrebbero quindi aprire la strada a studi approfonditi sulle proprietà dei neutrini, nonché alla ricerca di altre particelle elusive.
Poco dopo che FASER ha riportato la prima osservazione di neutrini collisori, la collaborazione SND@LHC ha completato la sua analisi, con otto ulteriori eventi nell’LHC che coinvolgono neutrini.
L’esperimento SND@LHC è stato specificamente stabilito per rilevare i neutrini, utilizzando un rivelatore lungo due metri, posizionato strategicamente in un sito dell’LHC dove il flusso di neutrini è elevato, ma schermato dai detriti di collisione protonica da circa 100 metri di cemento e roccia.
“Anche con il suo posizionamento strategico, i muoni a più alta energia prodotti nelle collisioni raggiungono il nostro rivelatore ad un tasso decine di milioni di volte superiore alle interazioni dei neutrini”, ha spiegato Vilela.
“Questi muoni generano adroni neutri nelle loro interazioni con il materiale che circonda il nostro esperimento, che a loro volta producono segnali nel rivelatore simili a quelli dei neutrini. Superare questo background è stata la sfida più grande nell’analisi, che ha fatto uso del modello distintivo di una traccia di muoni associata a una pioggia adronica e nessuna particella carica che entra nel rivelatore per identificare le interazioni dei neutrini”.
Come parte del loro recente studio, la collaborazione SND@LHC ha analizzato i dati raccolti dal loro rilevatore tra luglio e novembre 2022, che è stato il suo primo ciclo operativo.
Questa prima raccolta di dati si è rivelata un grande successo, poiché il team alla fine ha registrato il 95% dei dati di collisione forniti loro e alla fine ha osservato eventi di neutrini collisore.
“L’osservazione dei neutrini collisori apre la porta a nuove misurazioni che ci aiuteranno a comprendere alcuni degli enigmi più fondamentali del Modello Standard della fisica delle particelle, come il motivo per cui ci sono tre generazioni di particelle di materia (fermioni) che sembrano essere copie esatte l’una dell’altra in tutti gli aspetti tranne che per la loro massa. ” dice Vilela.
“Inoltre, il nostro rivelatore è collocato in una posizione che è un punto cieco per i più grandi esperimenti LHC. Per questo motivo, le nostre misurazioni contribuiranno anche a una migliore comprensione della struttura dei protoni in collisione”.
“Gestiremo il rilevatore FASER per molti altri anni e ci aspettiamo di raccogliere almeno 10 volte più dati”, ha aggiunto Feng.
“Un fatto particolarmente eccitante è che questa scoperta iniziale ha utilizzato solo una parte del rivelatore. Nei prossimi anni, saremo in grado di utilizzare tutta la potenza di FASER per mappare queste interazioni di neutrini ad alta energia con dettagli squisiti. Inoltre, stiamo lavorando alla Forward Physics Facility, una proposta per costruire una nuova caverna sotterranea presso l’LHC, che ci permetterà di rilevare milioni di neutrini ad alta energia, nonché di cercare particelle e altri fenomeni associati alla materia oscura”.
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