Erster Nachweis eines Teilchenbeschleunigers

Zum ersten Mal wurden Neutrinos entdeckt, die durch Kernreaktionen erzeugt wurden, die vom Large Hadron Collider ausgelöst wurden. Obwohl Physiker davon überzeugt waren, dass die Reaktionen, die ablaufen, wenn Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zusammengestoßen werden, Neutrinos erzeugen, war die Erfassung der Beweise eine andere Sache. Die Errungenschaft könnte Teilchenphysikern helfen, einige der großen Unbekannten des Verhaltens subatomarer Teilchen zu lösen.

In den 1930er Jahren stellten Physiker fest, dass die Produkte vieler Kernreaktionen offenbar weniger Energie trugen als die Teilchen, die der Reaktion vorausgingen. Dies verstößt gegen das Energieerhaltungsgesetz, und die offensichtliche Erklärung war, dass uns zusätzliche Produkte fehlten. Solche Teilchen, Neutrinos genannt, müssten sehr leicht sein – lange Zeit glaubte man, sie seien masselos – und nur sehr schwach mit bekannteren Objekten interagieren. Sonst hätten wir sie leichter erkennen können.

Trotz einiger Verachtung für die Vorstellung, dass nicht nachweisbare Objekte nur zur Lösung eines Problems erfunden wurden, wurde 1956 bestätigt, dass Neutrinos aus einem Kernreaktor stammen, und die Entdeckung wurde mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Seitdem wurde festgestellt, dass sie ihren Ursprung in der Sonne, bei Wechselwirkungen zwischen kosmischer Strahlung und der oberen Atmosphäre sowie bei hochenergetischen astronomischen Ereignissen wie Supernovas haben.

„Mit jeder neuen Quelle wurden neue Erkenntnisse gewonnen, die wichtige Auswirkungen auf viele Bereiche haben, von der Teilchenphysik über die Geophysik bis hin zur Astrophysik und Kosmologie“, schreibt die Kooperation Forward Search Experiment (FASER). Forscher haben sogar drei Arten identifiziert, sogenannte Aromen. Obwohl jede Sekunde Billionen davon durch Ihren Körper strömen, bedarf es riesiger unter der Erde vergrabener Wassertanks, um die Spuren zu erkennen, die von dem winzigen Teil erzeugt werden, der auf seinem Weg andere Partikel erzeugt oder verändert.

Die Zahlen, die in Maschinen wie dem Large Hadron Collider des CERN erzeugt werden, machen naturgemäß nur einen winzigen Bruchteil derjenigen astronomischen Ursprungs aus, was die Aufgabe, sie zu finden, umso schwieriger macht. Dennoch ist dies mittlerweile von zwei Teams unabhängig voneinander gelungen.

„Neutrinos werden in Protonenkollidern wie dem LHC sehr häufig produziert“, sagte Cristovao Vilela von der SND@LHC Collaboration gegenüber Phys.org. „Allerdings wurden diese Neutrinos bisher noch nie direkt beobachtet. Die sehr schwache Wechselwirkung von Neutrinos mit anderen Teilchen macht ihren Nachweis sehr schwierig und sie sind daher die am wenigsten untersuchten Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik.“

Tatsächlich sind Neutrinos die einzigen Teilchen im Standardmodell, deren Existenz daher bestätigt wurde und die nicht von Teilchenbeschleunigern nachgewiesen wurden.

Die beiden Teams verfolgten unterschiedliche Ansätze zum Einfangen von Neutrinos. Die FASER-Kollaboration platzierte ihren Detektor entlang der Strahllinie, so dass die Neutrinos mit der höchsten Energie, die sich auf einem ähnlichen Weg wie die Teilchen fortbewegen, durch sie hindurchgehen würden. Obwohl es immer noch schwierig ist, Neutrinos mit hoher Energie zu beobachten, ist es wahrscheinlicher, dass sie mit anderer Materie interagieren als mit Neutrinos mit niedrigerer Energie.

Der FASER-Detektor besteht aus 730 Wolframblättern mit einer Dicke von jeweils 1,1 mm (0,044 Zoll) und dazwischenliegenden Emulsionsfilmen. Das Team wurde mit 153 Entdeckungen über dem Hintergrundniveau belohnt, mit Energien von mehr als 200 Milliarden Elektronenvolt während der fünfmonatigen Beobachtungszeit.

SND@LHC hingegen platzierte seinen Detektor beiseite und beobachtete nur acht mögliche Ereignisse. Beide Teams schirmten ihre Detektoren mit hundert Metern Fels und Beton ab und blockierten so die meisten anderen bei der Reaktion erzeugten Partikel. Neutrinos, die nur eine geringe Chance hatten, mit all dieser Masse zu interagieren, kamen unbeschadet durch. Dennoch erklärte Viela das für jedes Neutrino. Der SND@LHC-Detektor hat zig Millionen Myonen erfasst, die sehr ähnliche Signale auslösten.

Geschichten von Nadeln im Heuhaufen werden dem Versuch, die Neutrino-Wechselwirkungen von den durch Myonen verursachten zu unterscheiden, nicht gerecht.

Die Entdeckung wurde in zwei Artikeln in Physical Review Letters von FASER und SND@LHC bekannt gegeben

H/T Phys.org