Neutrinos são partículas minúsculas e com carga neutra explicadas pelo Modelo Padrão da física de partículas. Embora se estime que sejam algumas das partículas mais abundantes no Universo, observá-las até agora revelou-se um grande desafio, uma vez que a probabilidade de interagirem com outra matéria é baixa.
Para detectar essas partículas, os físicos têm usado detectores e equipamentos avançados para examinar fontes conhecidas de neutrinos. Os seus esforços levaram finalmente à observação de neutrinos provenientes do Sol, raios cósmicos, supernovas e outros objetos cósmicos, bem como aceleradores de partículas e reatores nucleares.
Um objetivo de longa data neste campo de estudo era observar neutrinos dentro de colisores, aceleradores de partículas nos quais dois feixes de partículas colidem entre si. Duas grandes colaborações de investigação, nomeadamente FASER (Forward Search Experiment) e SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, observaram estes neutrinos do colisor pela primeira vez, utilizando detectores localizados no Large Hadron Collider (LHC) do CERN, na Suíça. Os resultados de seus dois estudos foram publicados recentemente na Physical Review Letters.
“Os neutrinos são produzidos abundantemente em colisores de prótons como o LHC”, disse Cristovão Vilela, parte da Colaboração SND@LHC, ao Phys.org. “No entanto, até agora, estes neutrinos nunca tinham sido observados diretamente. A interação muito fraca dos neutrinos com outras partículas torna a sua detecção muito desafiadora e por isso são as partículas menos estudadas no Modelo Padrão da física de partículas.”
A colaboração FASER e SND@LHC são dois esforços de investigação distintos, ambos utilizando o LHC do CERN. Recentemente, estes dois esforços observaram independentemente os primeiros neutrinos do colisor, o que poderia abrir novos caminhos importantes para a investigação experimental em física de partículas.
A colaboração FASER é um grande esforço de pesquisa estabelecido com o objetivo de observar luz e partículas de interação fraca. O FASER foi o primeiro grupo de pesquisa a observar neutrinos no LHC, utilizando o detector FASER, que está posicionado a mais de 400 m de distância do renomado experimento ATLAS, em um túnel separado. FASER (e SND@LHC) observam neutrinos produzidos na mesma “região de interação” dentro do LHC que o ATLAS.
“Os colisores de partículas existem há mais de 50 anos e detectaram todas as partículas conhecidas, exceto os neutrinos”, disse Jonathan Lee Feng, co-porta-voz da Colaboração FASER, ao Phys.org. “Ao mesmo tempo, sempre que neutrinos são descobertos a partir de uma nova fonte, seja um reator nuclear, o Sol, a Terra ou supernovas, aprendemos algo extremamente importante sobre o universo. Como parte do nosso trabalho recente, decidimos detectar neutrinos produzidos em um colisor de partículas pela primeira vez.”
A colaboração FASER observou neutrinos do colisor colocando o seu detector ao longo da linha do feixe, seguindo as suas trajetórias. Sabe-se que neutrinos de alta energia são produzidos predominantemente neste local, mas outros detectores do LHC têm pontos cegos nesta direção e, portanto, não foram capazes de observá-los no passado.
“Como estes neutrinos têm fluxos e energias elevados, o que os torna muito mais propensos a interagir, conseguimos detectar 153 deles com um detector muito pequeno e barato que foi construído num tempo muito curto”, explicou Feng. “Anteriormente, pensava-se que a física de partículas estava dividida em duas partes: experimentos de alta energia, necessários para estudar partículas pesadas, como quarks top e bósons de Higgs, e experimentos de alta intensidade, necessários para estudar neutrinos. Este trabalho mostrou que experimentos de alta energia também podem estudar neutrinos, e assim uniram as fronteiras de alta energia e alta intensidade.”
Os neutrinos detectados por Feng e pelo resto da colaboração FASER têm a energia mais alta já registrada em ambiente de laboratório. Assim, poderiam abrir caminho para estudos aprofundados das propriedades dos neutrinos, bem como para pesquisas de outras partículas indescritíveis.
Pouco depois de o FASER ter relatado a primeira observação de neutrinos do colisor, a colaboração SND@LHC finalizou a sua análise, com oito eventos adicionais no LHC envolvendo neutrinos. O experimento SND@LHC foi criado especificamente para detectar neutrinos, usando um detector de dois metros de comprimento, estrategicamente colocado em um local do LHC onde o fluxo de neutrinos é alto, mas protegido dos detritos da colisão de prótons por aproximadamente 100 metros de concreto. e rocha.
“Mesmo com seu posicionamento estratégico, os múons de maior energia produzidos nas colisões chegam ao nosso detector a uma velocidade dezenas de milhões de vezes maior que as interações dos neutrinos”, explicou Vilela. “Esses múons geram hádrons neutros em suas interações com o material que cerca nosso experimento, que por sua vez produzem sinais no detector semelhantes aos dos neutrinos. Superar esse cenário foi o maior desafio na análise, que fez uso do padrão distinto de uma trilha de múons associada a uma chuva hadrônica e nenhuma partícula carregada entrando no detector para identificar as interações de neutrinos.”
Como parte do seu estudo recente, a colaboração SND@LHC analisou dados recolhidos pelo seu detector entre julho e novembro de 2022, que foi o seu primeiro ciclo de operação. Esta primeira execução de coleta de dados foi considerada altamente bem-sucedida, já que a equipe finalmente registrou 95% dos dados de colisão entregues a eles e, por fim, observou eventos de neutrinos do colisor.
“A observação dos neutrinos do colisor abre a porta para novas medições que nos ajudarão a compreender alguns dos enigmas mais fundamentais do Modelo Padrão da física de partículas, como por que existem três gerações de partículas de matéria (férmions) que parecem ser cópias exatas uns dos outros em todos os aspectos, exceto na massa”, disse Vilela. “Além disso, nosso detector está colocado em um local que é um ponto cego para experimentos maiores do LHC. Por causa disso, nossas medições também contribuirão para uma melhor compreensão da estrutura dos prótons em colisão.”
Esses estudos recentes das colaborações FASER e SND@LHC contribuem significativamente para a pesquisa experimental em física de partículas em andamento e poderão em breve abrir caminho para novos avanços no campo. Agora que a presença de neutrinos no LHC foi confirmada, estas duas experiências continuarão a recolher dados, levando potencialmente a observações mais significativas.
“Estaremos operando o detector FASER por muitos mais anos e esperamos coletar pelo menos 10 vezes mais dados”, acrescentou Feng. “Um fato particularmente interessante é que esta descoberta inicial usou apenas parte do detector. Nos próximos anos, seremos capazes de usar todo o poder do FASER para mapear essas interações de neutrinos de alta energia com detalhes requintados. Além disso, estamos trabalhando no Forward Physics Facility, uma proposta para construir uma nova caverna subterrânea no LHC, que nos permitirá detectar milhões de neutrinos de alta energia, bem como procurar partículas milicarregadas e outros fenômenos associados à matéria escura.”
Publicado em 29/08/2023 12h56
Artigo original:
Estudo original: