V třetím období experimentování urychlovače LHC, které bylo zahájeno v roce 2022, začal pracovat nový experiment FASER (the ForwArd Search ExpeRiment). Nachází se v nevyužívaném servisním tunelu TI12, který je 480 m ve směru pohybu původního svazku od místa srážek používaného experimentem ATLAS. Dominantní část klasických částic se do tohoto místa nedostane, pouze miony a neutrina. Protože je zde minimální pozadí jiných částic, je šance pozorovat a potvrdit právě neutrina a případné rozpady některých exotických hypotetických částic.

Umístění experimentu FASER v servisním tunelu (zdroj prezentace experimentu FASER na konferenci v Moriondu 2023).

Experiment FASER

Konstrukce a instalace nové malé sestavy detektorů FASER využívající srážky v experimentu ATLAS proběhla na urychlovači LHC v letech 2019 až 2021. Zaměřuje se na detekci lehkých slabě interagujících částic. Využívá se velmi vysoká frekvence srážek u tohoto detektoru a velmi vysoká produkce lehkých částic s velmi vysokou dopřednou kolimací, například v rozpadech neutrálních mezonů pí. Právě pí mezony s velmi vysokou energií jsou kolimované do směru svazku.

Detekovanými slabě interagujícími částicemi mohou být neutrina nebo hypotetické částice vystupujících v teoriích za Standardním modelem hmoty a interakcí, například temnými fotony nebo axiony. Ty by mohly vznikat v rozpadech neutrálních mezonů pí nula. Vzniklé exotické částice by se pak mohly rozpadat například na pár elektron a pozitron. Detekční systém FASER je umístěn v nevyužitém servisním tunelu a nachází se ve vzdálenosti 480 m od interakčního bodu detekčního systému ATLAS. Magnety urychlovače LHC a sto metrů tloušťky skály dramaticky snižuje pozadí v daném místě.

Schéma experimentu FASER. Nabité částice s energií nižší, než je energie svazku jsou magnety vychýleny a přímým směrem letí jen neutrální částice. Fotony a neutrální hadrony jsou pohlceny tlustou vrstvou, stejně jako dominantní část sekundárních nabitých částic. V místě experimentu FASER tak jsou dominantně pouze velmi slabě interagující částice na malém pozadí. (Zdroj prezentace experimentu FASER na konferenci v Moriondu 2023).

Detekční systém byl vybudován s využitím náhradních komponent i nových prvků. Dokončen byl v roce 2021 a první rok třetího období experimentování byl i prvním rokem sběru dat experimentem FASER. Podařilo se využít až 96,1 % luminosity a tedy i srážek poskytnutých experimentu ATLAS.

Schéma detekční sestavy FASER (zdroj prezentace experimentu FASER na konferenci v Moriondu 2023).

Detekční sestava má za úkol detekovat slabě interagující částice, Využívá se jejich rozpad nebo reakce, které vedou k produkci nabitých částic. Předpokládá se velmi slabá interakce a velmi malá pravděpodobnost takových jevů. Je tak třeba maximálně potlačit pozadí nabitých částic, které vznikly jiným způsobem a dostávají se do prostoru detektorů. Proto jsou prvními detektory scintilační detektory, které detekují všechny nabité částice, které vstupují do experimentální sestavy FASER ze směru srážení svazků uvnitř experimentu ATLAS. Za ním následuje emulsní detektor. Ten je dominantně určen pro interakci a detekci neutrin. Proto se zde střídají vrstvy wolframu, kde dochází k interakcím slabě interagujících částic, a vrstvou emulse, kde se zobrazí dráhy vzniklých krátce žijících nabitých částic. Pravděpodobnost interakce neutrin a dalších slabě interagujících částic je velmi malá, proto je celková hmotnost wolframu 1,2 tuny. Právě tato část je určena pro interakci neutrin a označuje se jako FASERν. Pro identifikaci jejich vůně (zda jde o elektronové, mionové nebo tauonové neutrino) a zda jde o neutrino nebo antineutrino je třeba doplnit i údaje z následného spektrometru.

Identifikace hypotetického případu rozpadu exotické částice temného fotonu na pár elektronu a pozitronu (zdroj prezentace experimentu FASER na konferenci v Moriondu 2023).

Ještě dále se vyskytuje další systém scintilačních detektorů jako veto. Následuje část, která funguje jako dráhový detektor a spektrometr a střídají se zde magnety a stanice dráhového detektoru. V první části je i prostor pro rozpady exotických dlouho žijících a slabě interagujících částic i identifikaci jejich produktů. Za nimi následuje další systém scintilačních detektorů zaznamenávající elektromagneticky interagující částice před rozvojem elektromagnetické spršky a dále pak elektromagnetický kalorimetr detekující elektromagnetické spršky vzniklé interakcí vysokonenergetických fotonů gama a elektronů a pozitronů.

5 Simulace spekter různých typů neutrin, které letí ve směru svazku směrem k detektoru FASER. Pro srovnání jsou uvedeny spektra neutrin z jiných zdrojů, umělých i přirozených. Nalevo je spektrum elektronových neutrin (zeleně) a energie neutrin měřená v experimentu DONUT v americké laboratoři FERMILAB. Uprostřed je spektrum mionových neutrin (modrá), dřívější spektra mionových neutrin z předchozích urychlovačů s nižší energií získaných na pevném terči a neutrin s extrémní energií z kosmického záření detekovaných experimentem IceCube. Napravo je spektrum tauonových neutrin (fialová) a výsledky experimentu DONUT v laboratoři FERMILAB (zdroj prezentace experimentu FASER na konferenci v Moriondu 2023).

Výsledky prvního roku měření u detektoru FASER

První rok měření s využitím tohoto detektoru byl úspěšný. Nepodařilo se sice objevit nový typ částic. V této oblasti se podařilo pouze stanovit nové nižší limity na jejich existenci a vlastnosti. Například na rozpad temných fotonů na pár lepton a antilepton. Podařilo se však poprvé pozorovat neutrina s extrémně vysokou energií produkovaná na srážeči LHC.

Neutrina s vysokou energií se sice pomocí urychlovačů získávala a s jejich pomocí se studovaly využívala se oscilací vysokoenergetických neutrin na velkých vzdálenostech. Využíval se však pouze dopad svazku urychlených protonů s vysokými energiemi na pevný terč s těžkých jader. V tříštivých reakcích protonů s těžkými jádry se produkovalo i velké množství mezonů pí. Ty se rozpadaly na miony a mionová neutrina. Získal se tak intenzivní svazek mionových neutrin. Elektrickým polem lze vybírat kladné nebo záporné mezony pí a tím produkovat svazek mionových neutrin nebo antineutrin.

Lze připomenout, že svazek neutrin z laboratoře CERN, využíval se urychlovač SPS, detekovaly zařízení v italské podzemní laboratoři v Gran Sasso. Příkladem výsledků využití svazku mionových neutrin z urychlovače v laboratoři CERN je studium oscilace mionových neutrin na tauonová pomocí experimentu OPERA v Gran Sasso, o kterém se psalo i v článku na Oslovi.

Zdroje neutrin, včetně toho, jak se získávají pomocí urychlovačů, jsou popsány v starším článku. Energie protonů z urychlovače SPS dosahuje stovky GEV. Střední energie svazku mionových neutrin z něj je okolo 17 GeV. Experiment FASER využívající urychlovač LHC a srážky proti sobě letících protonů umožňují studovat neutrina s extrémní energií v řádu stovek až tisíců GeV. To jsou energie srovnatelné s energií neutrin v oblasti extrémních hodnot u kosmického záření.

Průběh nabírání celkového počtu srážek uvnitř detektoru ATLAS a jejich využití detektorem FASER. Je vyjádřen nárůstem hodnoty integrální luminosity. (zdroj prezentace experimentu FASER na konferenci v Moriondu 2023)

Celkově se během roku 2022 podařilo zaznamenat 153 případů neutrin s nejistotou, dominovanou tou statistickou, 12 případů. To velice dobře odpovídá výsledku předpovědí simulací, které dávají 151 případů s nejistotou 41. Dominantní část by měly tvořit mionová neutrina, násobně méně je elektronových a několik řádů méně je pak taunových. Na analýze emulsí se teprve pracuje. Teprve ona umožní v celkovém počtu neutrin odlišit, zda šlo v konkrétním případu o elektronové, mionové nebo tauonové neutrino.

Případ neutrina pozorovaného emulsním detektorem v experimentu FASER, s vysokou pravděpodobností by mělo jít o elektronové neutrino (zdroj experiment FASER).

Závěr

První rok provozu sestavy FASER ukázal její potenciál v oblasti hledání hypotetických slabě interagujících částic, a hlavně při detekci neutrin s extrémní energií. Celkový počet detekovaných neutrin odpovídá teoretickým předpovědím Standardního modelu hmoty a interakcí. Analýza emulsí, na které se pracuje, umožní identifikovat konkrétní typy detekovaných neutrin. V tomto roce by se mělo nabrat daleko větší množství dat, což by mohlo pomoci v pochopení vlastností těchto nejhůře polapitelných částic Standardního modelu hmoty a interakcí s extrémními energiemi, které zatím nebyly na pozemských urychlovačích dostupné.