Un altro obiettivo dell'esperimento è studiare le interazioni dei neutrini ad alta energia prodotti nelle collisioni dell'LHC, particelle quasi impossibili da rilevare nei quattro grandi esperimenti dell'LHC. La settimana scorsa, alla conferenza annuale Rencontres de Moriond, la collaborazione FASER ha presentato una misurazione della forza di interazione, o "sezione d'urto", dei neutrini elettronici (ν_e ) e neutrini muonici (ν_μ ).

Questa è la prima volta che una misurazione del genere viene effettuata presso un collisore di particelle. Misurazioni di questo tipo possono fornire importanti spunti in diversi aspetti della fisica, dalla comprensione della produzione di particelle "avanti" nelle collisioni dell'LHC e il miglioramento della nostra comprensione della struttura del protone all'interpretazione delle misurazioni dei neutrini ad alta energia da fonti astrofisiche eseguite da esperimenti con il telescopio per neutrini.

FASER si trova in un tunnel laterale dell'acceleratore LHC, a 480 metri dal punto di collisione del rivelatore ATLAS. In quella posizione, il raggio dell’LHC è già a quasi 10 metri di distanza, curvando lungo il suo percorso circolare di 27 chilometri. Si tratta di un luogo unico per studiare le particelle debolmente interagenti prodotte nelle collisioni dell'LHC.

Le particelle cariche prodotte nelle collisioni vengono deviate dai magneti dell'LHC. La maggior parte delle particelle neutre vengono fermate dalle centinaia di metri di roccia tra FASER e ATLAS. Si prevede che solo le particelle neutre che interagiscono molto debolmente, come i neutrini, continuino dritto e raggiungano il luogo in cui è installato il rilevatore.

La probabilità che un neutrino interagisca con la materia è molto piccola, ma non pari a zero. Il tipo di interazione a cui FASER è sensibile è quella in cui un neutrino interagisce con un protone o un neutrone all'interno del rivelatore. In questa interazione, il neutrino si trasforma in un "leptone" carico della stessa famiglia, un elettrone nel caso di un ν_e , e un muone nel caso di un ν_μ -che è visibile nel rilevatore. Se l'energia del neutrino è elevata, nella collisione vengono prodotte anche diverse altre particelle.

Il rilevatore utilizzato per eseguire la misurazione è costituito da 730 lastre di tungsteno interlacciate e lastre di emulsione fotografica. L'emulsione è stata esposta durante il periodo dal 26 luglio al 13 settembre 2022 e poi sviluppata chimicamente e analizzata alla ricerca di tracce di particelle cariche.

I candidati per le interazioni dei neutrini sono stati identificati cercando gruppi di tracce che potessero essere ricondotte a un singolo vertice. Una di queste tracce doveva quindi essere identificata come un elettrone o un muone ad alta energia.

In totale, quattro candidati per un ν_e interazione e otto candidati per un ν_μ sono state riscontrate interazioni. Le quattro ν_e i candidati rappresentano la prima osservazione diretta dei neutrini elettronici prodotti in un collisore. Le osservazioni possono essere interpretate come misurazioni delle sezioni d'urto di interazione dei neutrini, ottenendo (1,2 ^+0,9 _−0.8 ) ×10 ⁻³⁸ cm ² GeV ⁻¹ nel caso della ν_e e (0,5 ± 0,2) × 10 ⁻³⁸ cm ² GeV ⁻¹ nel caso del ν_μ .

Si è scoperto che le energie dei neutrini sono comprese tra 500 e 1700 GeV. Nessuna misurazione della sezione d'urto di interazione dei neutrini era stata precedentemente effettuata ad energie superiori a 300 GeV nel caso del ν_e e tra 400 GeV e 6 TeV nel caso del ν_μ .

I risultati ottenuti da FASER, pubblicati su arXiv server di prestampa, sono coerenti con le aspettative e dimostrano la capacità di FASER di effettuare misurazioni della sezione d'urto dei neutrini all'LHC. Con i dati completi dell'LHC Run 3, verranno rilevati 200 volte più eventi di neutrini, consentendo misurazioni molto più precise.