Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) może otworzyć drogę do głębszego zrozumienia neutrin poprzez pomiar jak dotąd nieobserwowanego procesu z ich udziałem – donosi międzynarodowa grupa badaczy w artykule opublikowanym w bieżącym numerze czasopisma Physical Review D, z wiodącą rolą naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Neutrina są najsłabiej oddziałującymi cząstkami elementarnymi, które do tej pory odkryto, a zarazem stanowią obecnie najpewniejsze okno do poznania zjawisk wykraczających poza Model Standardowy oddziaływań fundamentalnych. Z tego powodu, są one przedmiotem wielu badań eksperymentalnych. W minionych latach do tych wysiłków dołączył Wielki Zderzacz Hadronów. Zapoczątkowano tam nowatorski program badawczy w ramach kolaboracji eksperymentalnej FASER, którego jednym z inicjatorów był dr Sebastian Trojanowski z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ.

Nowy program badań niedawno dokonał pierwszych obserwacji neutrin w LHC. Jednym z głównych celów tych prac jest lepsze zrozumienie oddziaływań silnych, jednej z czterech podstawowych sił przyrody, w sytuacji, która wymyka się standardowym obliczeniom teoretycznym (tzw. perturbacyjnym) i wymaga stosowania przybliżeń obarczonych sporymi niepewnościami. Neutrina produkowane w zderzeniach protonów w LHC mogą wynieść informację na ich temat daleko poza gęste i gorące centrum oddziaływania. Pozwoli to m.in. dokładniej wyjaśnić przebieg zderzeń promieniowania kosmicznego nieustannie bombardującego atmosferę ziemską oraz ograniczyć jego wpływ na obserwację neutrin spoza naszej galaktyki w rozwijającej się dziedzinie astronomii neutrinowej.

Dużym zainteresowaniem naukowców cieszą się również zderzenia neutrin w detektorze, gdzie prowadzone są próby ich obserwacji. „Słabe oddziaływania neutrin to zarazem ich przekleństwo i błogosławieństwo. Próba ich detekcji potrafi doprowadzić do szaleństwa, np. spodziewamy się, że tylko jedno na miliard neutrin przelatujących przez urządzenie pomiarowe zostawi w nim jakikolwiek ślad” – opowiada dr Sebastian Trojanowski. „Z drugiej strony, gdy to się już uda, neutrina dają wgląd w zjawiska inaczej niemal niedostępne. W najnowszej pracy badaliśmy jeszcze rzadsze procesy z ich udziałem. Okazuje się, że LHC to wystarczająco potężne źródło neutrin, aby je wreszcie zaobserwować w przyszłości”.

Proces omawiany w najnowszym artykule to tzw. rozpraszanie neutrin typu „trident”. Typowo, w oddziaływaniach neutrin produkowany jest jeden naładowany lepton, np. elektron albo mion. Proces ten zachodzi przez „prądy naładowane”. Możliwy jest też brak produkcji jakichkolwiek naładowanych leptonów (tzw. prądy neutralne). Jednak w procesie typu „trident” dochodzi do produkcji aż dwóch takich cząstek. „Wkład w to rzadkie rozpraszanie mają jednocześnie prądy naładowane i neutralne, co umożliwia analizę ich interferencji oraz stanowi okno do badań tzw. nowej fizyki” – zauważa dr Toni Mäkelä, który w trakcie prac nad projektem odbywał staż podoktorski w NCBJ, a obecnie kontynuuje swoje badania na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, USA.

Rozpraszanie neutrin typu „trident” jak dotąd nie zostało zaobserwowane, choć były podejmowane takie próby. Wstępne obserwacje odnotowane ponad 20 lat temu zostały w późniejszych latach podważone poprzez uwzględnienie nowych procesów tła, które mogą imitować rozpraszanie typu „trident” i zaburzać pomiar. W najnowszej pracy badacze przedstawili strategię pomiaru dla proponowanego ulepszonego detektora neutrin w LHC, FASER𝜈2, i ponownie szczegółowo przedyskutowali procesy tła. Wyniki pokazują, że pierwsza obserwacja ze statystyczną istotnością wystarczającą do ogłoszenia odkrycia powinna być możliwa w nadciągających latach, jeśli ulepszony detektor zostanie skonstruowany wg obecnych propozycji.

„Autorem jednej z pierwszych prac teoretycznych, w których spekulowano na temat rozpraszania neutrin typu trident, był profesor Wiesław Czyż z IFJ PAN oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Było to prawie dokładnie 60 lat temu” – dodaje dr Trojanowski. „Czekamy już dość długo. Do współpracy przy tym projekcie zaprosiliśmy obecnych liderów w tej dziedzinie z uznanych ośrodków w Europie i USA. Ich entuzjazm upewnił nas, że w końcu ten pomiar może się udać.”

Dokładne wyniki prac są dostępne w publikacji Discovering neutrino tridents at the Large Hadron Collider, W. Altmannshofer, T. Mäkelä, S Sarkar, S Trojanowski, K. Xie, and B. Zhou, Phys. Rev. D 110, 072018, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.110.072018

Badania opisane w artykule są współfinansowane z grantu „Badanie lekkich cząstek ciemnego sektora Wszechświata” nr 2021/42/E/ST2/00031 przyznanego przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programu SONATA BIS.