Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN pod Genewą zatwierdziła kilka dni temu nowy eksperyment, który będzie badał własności najlżejszych cząstek materii, tzw. neutrin. Jest to pierwszy tego typu eksperyment przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), który rozpocznie nową erę badań nad neutrinami. W pracach nad projektem istotną rolę odegrał dr Sebastian Trojanowski z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ).

Planowany eksperyment FASERν (na końcu nazwy grecka litera nu) ma być nie tylko pierwszym takim detektorem w samym LHC, ale też w całej historii podobnych doświadczeń, w których dwa strumienie cząstek lecących w przeciwległych kierunkach zderzają się ze sobą. Otwiera to nową, fascynującą erę badań nad neutrinami, które są najbardziej nieuchwytnymi spośród znanych nam obecnie cząstek elementarnych.

Neutrina produkowane w LHC to najbardziej energetyczne neutrina wytworzonone kiedykolwiek przez człowieka. Można je jedynie porównać do neutrin powstałych w ekstremalnych zjawiskach takich jak zderzenia wysoko energetycznych promieni kosmicznych z atmosferą ziemską. Eksperyment FASERν przy LHC umożliwi laboratoryjne badanie tych cząstek przy energiach, dla których jak dotąd nie było to możliwe.

Detektor FASERν będzie częścią większego, niedawno zatwierdzonego eksperymentu FASER, którego jednym z czterech pomysłodawców jest dr Sebastian Trojanowski związany z NCBJ oraz Uniwersytetem w Sheffield w Wielkiej Brytanii. “FASERν to wyjątkowo mały detektor w porównaniu z typowymi eksperymentami neutrinowymi” - mówi dr Trojanowski, który był bezpośrednio zaangażowany w prace przygotowawcze prowadzące do zatwierdzenia nowego detektora. „Będzie to prostopadłościan o długości nieco ponad metra i szerokości jedynie 25cm. Tak niewielki rozmiar można było uzyskać dzięki precyzyjnemu dobraniu lokalizacji detektora, w miejscu gdzie trafia przeważająca część bardzo silnej wiązki neutrin produkowanych w LHC w punkcie kolizji protonów w detektorze ATLAS.”

Instalację nowego detektora będzie można przeprowadzić bardzo szybko, a zbieranie pierwszych danych rozpocznie się wraz z ponownym uruchomieniem LHC już w 2021 roku. “FASERν może również utorować drogę do innych eksperymentów neutrinowych w przyszłych zderzaczach cząstek, zaś rezultaty tych eksperymentów będą mogły zostać użyte podczas planowania przyszłych, znacznie większych detektorów neutrin” - mówi dr Jamie Boyd, jeden z liderów kolaboracji FASER, na co dzień pracujący w ośrodku CERN pod Genewą.

Choć nowy detektor FASERν jest osobnym instrumentem badawczym w stosunku do głównego detektora FASER zatwierdzonego wcześniej w tym roku, współgranie obydwu części eksperymentu może odegrać kluczową rolę w prowadzonych badaniach nad fizyką neutrin. “Dodatkowo, w gronie kilku fizyków teoretyków z NCBJ oraz laboratorium SLAC w Stanach Zjednoczonych przeprowadziliśmy już pierwsze analizy ekscytujących perspektyw na odkrycie całkiem nowych cząstek elementarnych przy współudziale obu części eksperymentu FASER. Planujemy dalsze takie badania w przyszłości” - wyjaśnia dr Trojanowski.

Badania wysoko energetycznych neutrin nie tylko pomogą nam lepiej zrozumieć przebieg burzliwych zdarzeń nieustannie zachodzących na styku atmosfery ziemskiej z przestrzenią kosmiczną, lecz również rzucą więcej światła na naturę oddziaływań tych trudnych do detekcji cząstek. Teoretyczne spekulacje dotyczące istnienia neutrin sięgają lat 30. XX wieku, ale pierwsza ich eksperymentalna obserwacja nastąpiła dopiero niemal ćwierk wieku później. W późniejszym okresie opracowano teoretycznie dość szczegółowy opis oddziaływań neutrin z innymi cząstkami materii, który nadal jednak nie został dogłębnie przetestowany eksperymentalnie, szczególnie w obszarze wysokich energii charakterystycznych dla detektora FASERν. Jednym z głównych celów eksperymentu będzie sprawdzenie, czy dokładne pomiary własności neutrin w tym zakresie energii są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi i naszym obecnym stanem wiedzy, czy też nadszedł czas na weryfikację tych poglądów.

Badanie neutrin jest jedną ze specjalności polskich fizyków i współpracujących kilku polskich ośrodków. Między innymi Warszawska Grupa Neutrinowa, której istotną część stanowią naukowcy z NCBJ, bierze udział w wielkim eksperymencie neutrinowym T2K w Japonii i przygotowuje kolejny eksperyment z planowanym jeszcze potężniejszym detektorem HyperKamiokande. W porównaniu z wielkimi eksperymentami neutrinowymi ulokowanymi w kopalniach jak T2K czy oceanach lub lodach Antarktydy, FASERν jest nową jakością i powinien dać naukowcom cenne oraz stosunkowo tanie narzędzie badania otaczającego nas świata.