Skip to content
Home » Neutrino’s vangen bij de LHC

Neutrino’s vangen bij de LHC

    Illustration of a neutrino in a fly trap

    CERN-natuurkundige Jamie Boyd gaat een tunnel in dicht bij de ATLAS-detector, een experiment bij de grootste deeltjesversneller ter wereld. Van daaruit verandert hij in een ondergrondse ruimte met het label TI12.

    “Dit is een heel speciale tunnel”, zegt Boyd, “omdat hier de oude overdrachtslijn was voor de Large Electron-Positron Collider, vóór de Large Hadron Collider.” Nadat de LHC was gebouwd, werd een nieuwe transferlijn toegevoegd, “en deze tunnel werd vervolgens verlaten.”

    De tunnel wordt niet meer verlaten. De nieuwe bewoner is een experiment dat veel kleiner is dan de naburige ATLAS-detector. De vijf meter lange Forward Search Experiment, of FASER, detector bevindt zich in een ondiepe uitgegraven greppel in de vloer, omgeven door lage leuningen en kabels.

    Wetenschappers, waaronder Boyd, die als medewoordvoerder van FASER fungeert, installeerden de relatief kleine detector in 2021. Net op tijd voordat de LHC in april opnieuw werd opgestart, nestelden natuurkundigen een ander klein experiment, genaamd Scattering and Neutrino Detector of [email protected], op de andere kant van Atlas.

    Beide detectoren zijn nu actief en zijn begonnen met het verzamelen van gegevens. Wetenschappers zeggen dat ze hopen dat de twee detectoren het begin zijn van een nieuwe poging om deeltjes te vangen en te bestuderen die de vier hoofddetectoren van de LHC niet kunnen zien.

    Verbergen in duidelijk zicht

    Zowel FASER als [email protected] detecteren deeltjes die neutrino’s worden genoemd. Niet te verwarren met neutronen – deeltjes in de kernen van atomen die zijn opgebouwd uit quarks – neutrino’s kunnen niet worden afgebroken tot kleinere bestanddelen. Samen met quarks, elektronen, muonen en taus zijn neutrino’s fundamentele materiedeeltjes in het standaardmodel van de natuurkunde.

    Deze lichte, neutrale deeltjes zijn overvloedig aanwezig in de melkweg. Sommige bestaan ​​al sinds de oerknal; andere worden geproduceerd in deeltjesbotsingen, zoals die plaatsvinden wanneer kosmische stralen de atomen raken die de atmosfeer van de aarde vormen. Elke seconde passeren neutrino’s ons in de biljoenen zonder een spoor achter te laten – omdat ze slechts zelden interageren met andere materie.

    Neutrino’s worden ook geproduceerd bij botsingen in de LHC. Wetenschappers zijn zich bewust van hun aanwezigheid, maar gedurende meer dan een decennium van LHC-fysica bleven neutrino’s onopgemerkt, omdat de ATLAS-, CMS-, LHCb- en ALICE-detectoren werden ontworpen met andere soorten deeltjes in gedachten.

    De vier grootste LHC-experimenten kunnen neutrino’s niet rechtstreeks detecteren, zegt Milind Diwan, een senior wetenschapper bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. Diwan was een originele voorstander en woordvoerder van wat nu het Deep Underground Neutrino Experiment is, georganiseerd door Fermi National Accelerator Laboratory.

    In 2021 werd FASER de eerste detector die neutrino’s ving bij de LHC – of een andere deeltjesversneller.

    Een nieuwe manier om naar neutrino’s te kijken

    Neutrino’s zijn de kameleons van de deeltjeswereld. Ze zijn er in drie smaken, muon-, elektron- en tau-neutrino’s genoemd voor de deeltjes die ermee geassocieerd zijn. Terwijl ze met bijna de lichtsnelheid door het universum reizen, wisselen neutrino’s tussen de drie smaken. Zowel FASER als [email protected] kunnen alle drie de smaken van neutrino’s detecteren.

    De detectoren vangen slechts een klein deel van de neutrino’s die er doorheen gaan, maar de hoogenergetische botsingen van de LHC zouden een duizelingwekkend aantal deeltjes moeten produceren. Tijdens de huidige run van de LHC, die tot eind 2025 zal duren, schatten natuurkundigen bijvoorbeeld FASER en zijn nieuwe subdetector, FASER genaamdv (uitgesproken als FASERnu), zal een flux ervaren van 200 miljard elektronenneutrino’s, 6 biljoen muon-neutrino’s en 4 miljard tau-neutrino’s, samen met een vergelijkbaar aantal anti-neutrino’s van elke smaak.

    “We zien nu gegarandeerd voor het eerst duizenden neutrino’s bij de LHC”, zegt Jonathan Feng, medewoordvoerder van de FASER-samenwerking.

    Die neutrino’s zullen de hoogste energie hebben die ooit is gezien vanuit een door mensen gemaakte bron, zegt Tomoko Ariga, projectleider voor FASERv, die eerder aan het DONUT-neutrino-experiment werkte. “Bij zulke extreme energieën, FASERv zal in staat zijn om de eigenschappen van neutrino’s op nieuwe manieren te onderzoeken.”

    De experimenten zullen ook een nieuwe manier bieden om andere deeltjes te bestuderen, zegt Giovanni De Lellis, woordvoerder van zowel [email protected] als het OPERA neutrino-experiment.

    Omdat een groot deel van de geproduceerde neutrino’s in het bereik dat toegankelijk is voor [email protected] afkomstig zal zijn van het verval van deeltjes gemaakt van charm-quarks, kan [email protected] worden gebruikt om de productie van charm-quark-deeltjes te bestuderen in een regio die andere LHC-experimenten niet kunnen onderzoeken . Dit zal zowel natuurkundigen helpen bij het bestuderen van botsingen bij toekomstige botsers als natuurkundigen die neutrino’s uit astrofysische bronnen bestuderen.

    FASER en [email protected] kunnen ook worden gebruikt om donkere materie te detecteren, zegt Diwan. Als donkere-materiedeeltjes worden geproduceerd bij botsingen bij de LHC, kunnen ze wegglippen van de ATLAS-detector langs de bundellijn – recht in FASER en [email protected]

    Een voorstel voor de toekomst

    Deze experimenten zouden nog maar het begin kunnen zijn. Natuurkundigen hebben voorgesteld nog vijf experimenten te bouwen, waaronder geavanceerde versies van de FASER- en [email protected], die in de buurt van de ATLAS-detector moeten worden gebouwd. De experimenten-FIBERv2, Advanced SND, FASER2, FORMOSA en FLArE – zouden tijdens de volgende fase van de LHC, de High-Luminosity LHC, in een voorgestelde Forward Physics Facility kunnen zitten.

    De geavanceerde FIBERv en [email protected] zouden de detectie van neutrino’s door de experimenten met een factor 100 verhogen, zegt Feng. “Dit betekent bijvoorbeeld dat ze in plaats van tientallen tau-neutrino’s duizenden zullen detecteren, waardoor we tau-neutrino’s van anti-tau-neutrino’s kunnen scheiden en voor het eerst onafhankelijk van deze twee precisiestudies kunnen doen.”

    Het FLArE-experiment, dat neutrino’s op een andere manier zou detecteren dan FASER en [email protected], zou ook gevoelig kunnen zijn voor lichte donkere materie.

    Zelfs zonder de voorgestelde toekomstige experimenten, zijn wetenschappers klaar om meer te leren over neutrino’s uit hun studies aan de LHC. VEZELv en [email protected] zijn al begonnen met het verzamelen van natuurkundige gegevens en zullen naar verwachting in 2023 nieuwe resultaten presenteren.

    “Neutrino’s zijn geweldig”, zegt Feng. “Elke keer dat we ze vanuit een nieuwe bron bekijken, of het nu een kernreactor, de zon of de atmosfeer is, leren we iets nieuws. Ik kijk er naar uit om te zien welke verrassingen de natuur in petto heeft.”