Τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα στοιχειώδη σωματίδια που παίζουν σπουδαίο ρόλο στην σωματιδιακή φυσική. Το γεγονός ότι διαθέτουν μικρή μεν, αλλά όχι αμελητέα μάζα, αποτελεί την μοναδική αναμφισβήτητη ανακάλυψη που δείχνει ότι υπάρχει άγνωστη φυσική πέραν του Καθιερωμένου Πρότυπου των στοιχειωδών σωματιδίων (σύμφωνα με το οποίο τα νετρίνα έχουν μηδενική μάζα). Ενώ είναι από τα πιο άφθονα σωματίδια στο σύμπαν, η παρατήρησή τους είναι πολύ δύσκολη αφού αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη, και για τον λόγο αυτό μπορούν να διασχίσουν ανεπηρέαστα ανθρώπους, τοίχους, ακόμη και ολόκληρους πλανήτες.
Η ύπαρξη του νετρίνου προτάθηκε στις 4 Δεκεμβρίου του 1930 από τον Wolfgang Pauli σε μια απεγνωσμένη προσπάθεια να εξηγήσει την αρχή διατήρησης της ενέργειας στην διάσπαση βήτα. Ο Enrico Fermi κατάφερε να διατυπώσει μια κομψή θεωρία της διάσπασης β, η οποία περιλάμβανε το σωματίδιο που ονομάστηκε νετρίνο. Κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ότι αυτό το μικροσκοπικό σωματίδιο θα δημιουργούσε επανάσταση και στην σωματιδιακή φυσική και στην κοσμολογία. Πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι να ανιχνευθεί το νετρίνο, στην δεκαετία του 1950, όταν άρχισαν να παράγεται πολύ μεγάλος αριθμός νετρίνων στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Τον Ιούνιο του 1956, οι Frederick Reines και Clyde Cowan έστειλαν ένα τηλεγράφημα στον Pauli – ότι τα νετρίνα άφησαν τα ίχνη τους στον ανιχνευτή τους. Έτσι αποδείχθηκε ότι το σωματίδιο-φάντασμα ήταν ένα πραγματικό σωματίδιο.
Οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει τεράστιους ανιχνευτές με πολύπλοκο εξοπλισμό για να ανιχνεύσουν νετρίνα διαφόρων προελέυσεων. Οι προσπάθειές τους οδήγησαν τελικά στην παρατήρηση νετρίνων που προέρχονται από τον Ήλιο, τις κοσμικές ακτίνες, τα σουπερνόβα και άλλα κοσμικά αντικείμενα, καθώς και από επιταχυντές σωματιδίων και πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Πολύ δύσκολη ήταν η παρατήρηση νετρίνων που παράγονται μέσα σε επιταχυντές, όταν δύο δέσμες σωματιδίων συγκρούονται μεταξύ τους. Όμως, δύο μεγάλα πειράματα, συγκεκριμένα το FASER (Forward Search Experiment) και το SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, ανίχνευσαν για πρώτη φορά νετρίνα που παράχθηκαν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN στην Ελβετία, χρησιμοποιώντας τους κατάλληλους ανιχνευτές. Τα αποτελέσματα των δύο μελετών τους δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Physical Review Letters:
1. 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
2. R. Albanese et al, Observation of Collider Muon Neutrinos with the SND@LHC Experiment, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.031802
Τα νετρίνα παράγονται σε μεγάλη αφθονία στους επιταχυντές πρωτονίων όπως ο LHC. Ωστόσο, μέχρι τώρα, ουδέποτε είχαν παρατηρηθεί άμεσα αυτά τα νετρίνα. Η ασθενέστατη αλληλεπίδραση των νετρίνων με άλλα σωματίδια κάνει την ανίχνευσή τους πολύ δύσκολη και γι’ αυτό είναι τα λιγότερο μελετημένα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου.
Τα πειράματα FASER και SND@LHC είναι δύο ξεχωριστές ερευνητικές προσπάθειες που χρησιμοποιούν τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Πρόσφατα, αυτά τα δύο πειράματα παρατήρησαν ανεξάρτητα τα πρώτα νετρίνα που παράχθηκαν στον LHC, κάτι που θα ανοίξει νέους ορίζοντες στην πειραματική έρευνα της σωματιδιακής φυσικής.
Το πείραμα FASER ήταν το πρώτο που ανίχνευσε 153 νετρίνα υψηλών ενεργειών στον LHC. Χρησιμοποιήθηκε ένας μικρός και φθηνός ανιχνευτής που κατασκευάστηκε σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Τοποθετήθηκε σε απόσταση 400 μέτρων από το γνωστό πείραμα ATLAS, σε ξεχωριστή σήραγγα.
Τα νετρίνα που ανιχνεύθηκαν από το FASER έχουν την υψηλότερη ενέργεια που έχει καταγραφεί ποτέ σε εργαστηριακό περιβάλλον. Θα μπορούσαν έτσι να ανοίξουν το δρόμο για την μελέτη των ιδιοτήτων των νετρίνων, αλλά και στην αναζήτηση άλλων αγνώστων σωματιδίων.
Πολύ σύντομα, αφότου το FASER ανέφερε την πρώτη παρατήρηση των νετρίνων, το πείραμα SND@LHC ολοκλήρωσε την ανάλυσή του, εντοπίζοντας οκτώ επιπλέον γεγονότα παραγωγής νετρίνων στον LHC. Το πείραμα SND@LHC χρησιμοποιεί έναν ανιχνευτή μήκους δύο μέτρων, ειδικά τοποθετημένο σε μια θέση στον LHC όπου η ροή των νετρίνων είναι υψηλή, αλλά προστατεύεται από άλλα προϊόντα της σύγκρουσης των πρωτονίων με 100 μέτρα σκυροδέματος και βράχων.
Η παρατήρηση των νετρίνων που παράγονται σε επιταχυντές ανοίγει την πόρτα σε νέες μετρήσεις που θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε μερικά από τα πιο θεμελιώδη αινίγματα του Καθιερωμένου Προτύπου, όπως, το γιατί υπάρχουν τρεις γενιές σωματιδίων ύλης (φερμιόνια) που φαίνονται να είναι ακριβή αντίγραφα σε όλες τις πτυχές εκτός από τη μάζα τους και θα συμβάλουν επίσης στην καλύτερη κατανόηση της δομής των πρωτονίων που συγκρούονται.
Ο ανιχνευτής του πειράματος FASER θα λειτουργήσει για πολλά χρόνια ακόμη και αναμένεται να συλλέξει τουλάχιστον 10 φορές περισσότερα δεδομένα. Ιδιαίτερα συναρπαστικό γεγονός είναι ότι για την τωρινή ανίχνευση νετρίνων χρησιμοποιήθηκε μόνο ένα τμήμα του ανιχνευτή. Τα επόμενα χρόνια, θα χρησιμοποιηθεί ολόκληρος ο ανιχνευτής του FASER, χαρτογραφώντας με εξαιρετική λεπτομέρεια τις αλληλεπιδράσεις νετρίνων υψηλής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζεται το Forward Physics Facility (FPF), μια πρόταση για την κατασκευή ενός νέου υπογείου σπηλαίου στο LHC, το οποίο θα επιτρέψει την ανίχνευση εκατομμυρίων νετρίνων υψηλής ενέργειας, καθώς επίσης την αναζήτηση άλλων ελάχιστα φορτισμένων σωματιδίων και φαινόμενα που σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: Ingrid Fadelli, ‘The first observation of neutrinos at CERN’s Large Hadron Collider΄ – https://phys.org/news/2023-08-neutrinos-cern-large-hadron-collider.html
Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, LHC
physicsgg 
Σχολιάστε