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La prima osservazione di neutrini al Large Hadron Collider del CERN

I neutrini sono particelle minuscole e con carica neutra rappresentate dal Modello Standard della fisica delle particelle. Sebbene si ritenga che siano alcune delle particelle più abbondanti nell’universo, osservarle finora si è rivelato molto impegnativo, poiché la probabilità che interagiscano con altra materia è bassa.

Per rilevare queste particelle, i fisici hanno utilizzato rilevatori e apparecchiature avanzate per esaminare le fonti conosciute di neutrini . I loro sforzi alla fine hanno portato all’osservazione dei neutrini provenienti dal Sole, dei raggi cosmici, delle supernove e di altri oggetti cosmici, nonché degli acceleratori di particelle e dei reattori nucleari.

Un obiettivo di lunga data in questo campo di studi era osservare i neutrini all’interno dei collisori, acceleratori di particelle in cui due fasci di particelle si scontrano tra loro. Due grandi collaborazioni di ricerca, vale a dire FASER (Forward Search Experiment) e SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, hanno osservato questi neutrini del collisore per la prima volta, utilizzando rilevatori situati presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN in Svizzera. I risultati dei loro due studi sono stati recentemente pubblicati su Physical Review Letters .

“I neutrini sono prodotti in grande abbondanza nei collisori di protoni come l’LHC”, ha detto a Phys.org Cristovao Vilela, parte della collaborazione SND@LHC. “Tuttavia, fino ad ora, questi neutrini non erano mai stati osservati direttamente. La debolissima interazione dei neutrini con altre particelle rende la loro rilevazione molto impegnativa e per questo motivo sono le particelle meno studiate nel Modello Standard della fisica delle particelle.”

La collaborazione FASER e SND@LHC rappresentano due distinti sforzi di ricerca, entrambi che utilizzano l’LHC del CERN. Recentemente, questi due sforzi hanno osservato in modo indipendente i primi neutrini del collisore, che potrebbero aprire nuove importanti strade per la ricerca sperimentale sulla fisica delle particelle.

La collaborazione FASER è un grande sforzo di ricerca istituito con l’obiettivo di osservare le particelle leggere e che interagiscono debolmente. FASER è stato il primo gruppo di ricerca ad osservare i neutrini all’LHC, utilizzando il rivelatore FASER, posizionato a oltre 400 metri dal famoso esperimento ATLAS, in un tunnel separato. FASER (e SND@LHC) osservano i neutrini prodotti nella stessa “regione di interazione” all’interno di LHC di ATLAS.

“I collisori di particelle esistono da oltre 50 anni e hanno rilevato ogni particella conosciuta tranne i neutrini”, ha detto  Jonathan Lee Feng, co-portavoce della collaborazione FASER. “Allo stesso tempo, ogni volta che i neutrini sono stati scoperti da una nuova fonte, che si tratti di un reattore nucleare, del Sole, della Terra o di una supernova, abbiamo imparato qualcosa di estremamente importante sull’universo. Come parte del nostro recente lavoro, abbiamo deciso di rilevare per la prima volta i neutrini prodotti in un collisore di particelle.”

La collaborazione FASER ha osservato i neutrini del collisore posizionando il loro rilevatore lungo la linea del fascio, seguendo le loro traiettorie. È noto che i neutrini ad alta energia vengono prodotti prevalentemente in questo sito, ma altri rilevatori dell’LHC hanno punti ciechi in questa direzione e quindi non sono stati in grado di osservarli in passato.

“Poiché questi neutrini hanno flussi elevati ed energie elevate, il che li rende molto più propensi a interagire, siamo stati in grado di rilevarne 153 con un rilevatore molto piccolo ed economico che è stato costruito in un tempo molto breve”, ha spiegato Feng. “In precedenza, si pensava che la fisica delle particelle fosse divisa in due parti: esperimenti ad alta energia, necessari per studiare le particelle pesanti, come i quark top e i bosoni di Higgs, ed esperimenti ad alta intensità, necessari per studiare i neutrini. Questo lavoro ha dimostrato che gli esperimenti ad alta energia possono anche studiare i neutrini, e così hanno riunito le frontiere dell’alta energia e dell’alta intensità”.

I neutrini rilevati da Feng e dal resto della collaborazione FASER hanno l’energia più alta mai registrata in un ambiente di laboratorio. Potrebbero quindi aprire la strada a studi approfonditi sulle proprietà dei neutrini, nonché alla ricerca di altre particelle sfuggenti.

Poco dopo che FASER ha riportato la prima osservazione dei neutrini del collisore, la collaborazione SND@LHC ha finalizzato la sua analisi, con otto eventi aggiuntivi nell’LHC che coinvolgono neutrini. L’esperimento SND@LHC è stato creato appositamente per rilevare i neutrini, utilizzando un rivelatore lungo due metri, strategicamente posizionato in un sito dell’LHC dove il flusso di neutrini è elevato, ma protetto dai detriti della collisione di protoni da circa 100 metri di cemento e roccia.

“Anche con il suo posizionamento strategico, i muoni con la massima energia prodotti nelle collisioni raggiungono il nostro rivelatore ad una velocità decine di milioni di volte superiore alle interazioni dei neutrini”, ha spiegato Vilela. “Questi muoni generano adroni neutri nelle loro interazioni con il materiale che circonda il nostro esperimento, che a loro volta producono segnali nel rivelatore simili a quelli dei neutrini. Superare questo contesto è stata la sfida più grande nell’analisi, che ha utilizzato il modello distintivo di una traccia di muoni associata ad uno sciame adronico e nessuna particella carica che entra nel rivelatore per identificare le interazioni dei neutrini.”

Nell’ambito del loro recente studio, la collaborazione SND@LHC ha analizzato i dati raccolti dal loro rilevatore tra luglio e novembre 2022, che è stato il suo primo ciclo operativo. Questa prima raccolta di dati si è rivelata un grande successo, poiché il team ha infine registrato il 95% dei dati di collisione forniti loro e ha infine osservato gli eventi di neutrini del collisore.

“L’osservazione dei neutrini del collisore apre la porta a nuove misurazioni che ci aiuteranno a comprendere alcuni degli enigmi più fondamentali del Modello Standard della fisica delle particelle, come il motivo per cui esistono tre generazioni di particelle materiali (fermioni) che sembrano essere copie esatte l’uno dall’altro in tutti gli aspetti tranne che per la loro massa,” ha detto Vilela. “Inoltre, il nostro rilevatore è posizionato in una posizione che rappresenta un punto cieco per gli esperimenti più grandi dell’LHC. Per questo motivo, le nostre misurazioni contribuiranno anche a una migliore comprensione della struttura dei protoni in collisione.”

Questi recenti studi condotti dalle collaborazioni FASER e SND@LHC contribuiscono in modo significativo alla ricerca sperimentale in corso sulla fisica delle particelle e potrebbero presto aprire la strada a ulteriori scoperte nel campo. Ora che la presenza di neutrini all’LHC è stata confermata, questi due esperimenti continueranno a raccogliere dati, portando potenzialmente a osservazioni più significative.

“Utilizzeremo il rilevatore FASER per molti altri anni e ci aspettiamo di raccogliere almeno 10 volte più dati”, ha aggiunto Feng. “Un fatto particolarmente interessante è che questa scoperta iniziale ha utilizzato solo una parte del rivelatore . Nei prossimi anni, saremo in grado di utilizzare tutta la potenza di FASER per mappare queste interazioni di neutrini ad alta energia in dettaglio squisito. Inoltre, siamo lavorando al Forward Physics Facility, una proposta per costruire una nuova caverna sotterranea presso l’LHC, che ci consentirà di rilevare milioni di neutrini ad alta energia, nonché di cercare particelle milli-caricate e altri fenomeni associati alla materia oscura.”

More information: Henso Abreu et al, First Direct Observation of Collider Neutrinos with FASER at the LHC, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.031801

R. Albanese et al, Observation of Collider Muon Neutrinos with the SND@LHC Experiment, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.031802

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