In einem wissenschaftlichen Novum hat ein Team unter Leitung von Physikern der University of California in Irvine erstmals Neutrinos registriert, die von einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wurden. Die Entdeckung verspricht das Wissen über die subatomaren Teilchen zu vertiefen, die erstmals 1956 entdeckt wurden und eine Schlüsselrolle bei dem Fusionsprozess der Sterne spielen.
Die Arbeit könnte auch Licht auf kosmische Neutrinos werfen, die große Distanzen zurücklegen und mit der Erde kollidieren, was ein Fenster in die fernen Bereiche des Universums öffnet.
Dies ist das neueste Ergebnis des Forward Search Experiment (FASER), einem Teilchendetektor, der von einer internationalen Physikergruppe am European Council for Nuclear Research (CERN) in Genf installiert wurde. Dort registriert FASER Teilchen, die vom Large Hadron Collider am CERN produziert wurden.
„Wir haben Neutrinos aus einer brandneuen Quelle entdeckt: Teilchenbeschleuniger. Dort kollidieren zwei Teilchenstrahlen mit extrem hoher Energie“, sagte der Teilchenphysiker und Co-Sprecher der FASER Collaboration Jonathan Feng. Er ist der Initiator des Projekts, an dem mehr als 80 Forscher der UCI und 21 Partnerinstitutionen beteiligt sind.
Brian Petersen, ein Teilchenphysiker am CERN, präsentierte die Ergebnisse im Namen der FASER Collaboration am Sonntag auf der 57. Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories Conference in Italien.
Neutrinos, die vor fast 70 Jahren von dem verstorbenen Physiker und Nobelpreisträger Frederick Reines von der UCI mitentdeckt wurden, sind die häufigsten Teilchen im Universum. „Sie waren sehr wichtig für die Etablierung des Standardmodells der Teilchenphysik“, sagte der CERN-Teilchenphysiker und FASER Co-Sprecher Jamie Boyd. „Aber bislang registrierte kein Experiment Neutrinos von einem Teilchenbeschleuniger.“
Seit der bahnbrechenden Arbeit von Reines und anderen wie Hank Sobel, einem Professor für Physik und Astronomie an der UCI, war die Mehrheit der von Physikern untersuchten Neutrinos solche mit niedriger Energie. Aber die von FASER registrierten Neutrinos sind die energiereichsten, die jemals in einem Labor erzeugt wurden, und sie sind mit jenen Neutrinos vergleichbar, die entstehen, wenn Teilchen aus dem tiefen Weltraum starke Teilchenschauer in unserer Atmosphäre auslösen.
„Sie können uns den tiefen Weltraum auf eine Weise näherbringen, die wir anders nicht erfahren können“, sagte Boyd. „Diese sehr energiereichen Neutrinos vom LHC sind wichtig, um wirklich spannende Beobachtungen der Teilchen-Astrophysik zu verstehen.“
FASER selbst ist neu und unter den Teilchendetektorexperimenten einmalig. Im Gegensatz zu anderen Detektoren am CERN, wie beispielsweise ATLAS, die mehrere Stockwerke hoch sind und tausende Tonnen wiegen, ist FASER nur etwa eine Tonne schwer und passt bequem in einen kleinen Seitentunnel am CERN. Und es dauerte nur ein paar Jahre, um es aus Teilen anderer Experimente zu entwerfen und zu konstruieren.
„Neutrinos sind die einzigen bekannten Teilchen, die die viel größeren Experimente am Large Hadron Collider nicht direkt nachweisen können, daher bedeutet FASERs erfolgreiche Beobachtung, dass das volle physikalische Potenzial des Teilchenbeschleunigers endlich aufgedeckt wird“, sagte der Experimentalphysiker Dave Casper von der UCI.
Jenseits der Neutrinos ist es eines von FASERs anderen Hauptzielen, bei der Identifizierung der Teilchen zu unterstützen, aus denen die Dunkle Materie besteht. Laut Physikern macht sie den Großteil der Materie im Universum aus, aber sie wurde noch nie direkt beobachtet.
FASER muss noch Anzeichen für Dunkle Materie finden, aber mit dem LHC, der in wenigen Monaten eine neue Reihe Teilchenkollisionen beginnt, zeigt sich der Detektor bereit, um alles aufzuzeichnen, was erscheint.
„Wir hoffen einige spannende Signale zu sehen“, sagte Boyd.
(THK)
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