O detector de partículas FASER que recebeu a aprovação do CERN para ser instalado no Large Hadron Collider em 2019 foi recentemente ampliado com um instrumento para detectar neutrinos. A equipe FASER liderada pela UCI usou um detector menor do mesmo tipo em 2018 para fazer as primeiras observações das partículas elusivas geradas em um colisor. O novo instrumento será capaz de detectar milhares de interações de neutrinos nos próximos três anos, dizem os pesquisadores. Crédito: CERN

A equipe internacional Forward Search Experiment, liderada por físicos da Universidade da Califórnia, Irvine, alcançou a primeira detecção de candidatos a neutrinos produzidos pelo Grande Colisor de Hádrons – LHC – nas instalações do CERN perto de Genebra, Suíça.

Em um artigo publicado hoje na revista Physical Review D, os pesquisadores descrevem como observaram seis interações de neutrinos durante uma execução piloto de um detector de emulsão compacto instalado no LHC em 2018.

“Antes deste projeto, nenhum sinal de neutrinos foi visto em um colisor de partículas”, disse o co-autor Jonathan Feng, professor ilustre de física e astronomia da UCI e co-líder da Colaboração FASER. “Este avanço significativo é um passo em direção ao desenvolvimento de uma compreensão mais profunda dessas partículas indescritíveis e do papel que desempenham no universo.”

Ele disse que a descoberta feita durante o piloto deu à sua equipe duas informações cruciais.

“Primeiro, ele verificou que a posição à frente do ponto de interação do ATLAS no LHC é o local certo para detectar neutrinos do colisor”, disse Feng. “Em segundo lugar, nossos esforços demonstraram a eficácia do uso de um detector de emulsão para observar esses tipos de interações de neutrino.”

O instrumento piloto era composto de placas de chumbo e tungstênio alternadas com camadas de emulsão. Durante as colisões de partículas no LHC, alguns dos neutrinos produzidos se chocam com os núcleos dos metais densos, criando partículas que viajam pelas camadas de emulsão e criam marcas que são visíveis após o processamento. Essas gravuras fornecem pistas sobre as energias das partículas, seus sabores – tau, múon ou elétron – e se são neutrinos ou antineutrinos.

De acordo com Feng, a emulsão opera de forma semelhante à fotografia na era pré-câmera digital. Quando um filme de 35 milímetros é exposto à luz, os fótons deixam rastros que são revelados como padrões quando o filme é revelado. Os pesquisadores do FASER também foram capazes de ver as interações dos neutrinos depois de remover e desenvolver as camadas de emulsão do detector.

O experimento FASER está situado a 480 metros do ponto de interação ATLAS no Large Hadron Collider. De acordo com Jonathan Feng, distinto professor de física e astronomia da UCI e co-líder da Colaboração FASER, este é um bom local para detectar neutrinos que resultam de colisões de partículas nas instalações. Crédito: CERN

“Tendo verificado a eficácia da abordagem do detector de emulsão para observar as interações dos neutrinos produzidos em um colisor de partículas, a equipe do FASER está preparando uma nova série de experimentos com um instrumento completo que é muito maior e significativamente mais sensível”, disse Feng.

Desde 2019, ele e seus colegas se preparam para realizar um experimento com instrumentos FASER para investigar a matéria escura no LHC. Eles esperam detectar fótons escuros, o que daria aos pesquisadores um primeiro vislumbre de como a matéria escura interage com os átomos normais e a outra matéria no universo por meio de forças não gravitacionais.

Com o sucesso de seu trabalho com neutrinos nos últimos anos, a equipe FASER – composta por 76 físicos de 21 instituições em nove países – está combinando um novo detector de emulsão com o aparelho FASER. Enquanto o detector piloto pesava cerca de 64 libras, o instrumento FASER pesará mais de 2.400 libras e será muito mais reativo e capaz de diferenciar entre as variedades de neutrinos.

“Dada a potência de nosso novo detector e sua localização privilegiada no CERN, esperamos ser capazes de registrar mais de 10.000 interações de neutrinos na próxima execução do LHC, começando em 2022”, disse o coautor David Casper, co-autor do projeto FASER -líder e professor associado de física e astronomia na UCI. “Vamos detectar os neutrinos de mais alta energia que já foram produzidos a partir de uma fonte de fabricação humana.”

O que torna o FASERnu único, disse ele, é que enquanto outros experimentos foram capazes de distinguir entre um ou dois tipos de neutrinos, ele será capaz de observar todos os três sabores mais seus equivalentes antineutrinos. Casper disse que houve apenas cerca de 10 observações de neutrinos tau em toda a história humana, mas que ele espera que sua equipe seja capaz de dobrar ou triplicar esse número nos próximos três anos.

“Este é um vínculo incrivelmente bom com a tradição do departamento de física aqui na UCI”, disse Feng, “porque continua com o legado de Frederick Reines, um membro fundador do corpo docente da UCI que ganhou o Prêmio Nobel de Física por ser o primeiro a descobrir neutrinos.”

“Produzimos um experimento de classe mundial no principal laboratório de física de partículas do mundo em tempo recorde e com fontes nada tradicionais”, disse Casper. “Temos uma enorme dívida de gratidão com a Fundação Heising-Simons e a Fundação Simons, bem como com a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e o CERN, que nos apoiaram generosamente.”

Savannah Shively e Jason Arakawa, UCI Ph.D. estudantes de física e astronomia também contribuíram para o artigo.

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