I neutrini ad alta energia sono particelle estremamente rare che finora si sono rivelate molto difficili da rilevare. I flussi di queste particelle rare sono stati rilevati per la prima volta dalla collaborazione IceCube nel 2013.
Articoli recenti presentati in Physical Review D e Le lettere del diario astrofisico scoprì che le supernove vicine, soprattutto quelle galattiche, sarebbero fonti promettenti di neutrini ad alta energia. Ciò ha ispirato nuovi studi che esplorano la possibilità di rilevare neutrini provenienti da queste sorgenti utilizzando rilevatori di collisioni di particelle di grandi dimensioni, come il rilevatore ATLAS del CERN.
Ricercatori dell’Università di Harvard, dell’Università del Nevada e della Pennsylvania State University hanno recentemente dimostrato che il rilevatore ATLAS può misurare il flusso di neutrini di supernova ad alta energia. Il loro nuovo articolo, pubblicato su Physical Review Letters , potrebbe ispirare sforzi futuri volti a rilevare flussi di neutrini ad alta energia.
"Carlos A. Argüelles, Ali Kheirandish e io ci siamo incontrati al workshop KITP a Santa Barbara, e abbiamo scoperto che i neutrini delle supernove ad alta energia sono obiettivi promettenti non solo per i grandi rilevatori di neutrini ma anche per i rilevatori di fisica delle particelle," Kohta Murase, co. -autore dell'articolo, ha detto a Phys.org. "I rivelatori di collisioni come ATLAS di LHC possono essere molto migliori dei rivelatori di neutrini come IceCube per studiare le proprietà dei neutrini (sapori, antineutrini, nuova fisica ecc.)."
Erano già note le sezioni d'urto neutrino-nucleone, la massa di ATLAS e il flusso di neutrini atteso da una data supernova in funzione del tempo. Considerando insieme una parte integrante di queste quantità note, Murase e i suoi colleghi sono stati in grado di stimare il numero di neutrini che avrebbero interagito direttamente nel rilevatore ATLAS.
"Abbiamo anche tenuto conto dei neutrini che interagiscono nella Terra all'esterno del rilevatore e producono un muone che potrebbe essere rilevato all'interno del rilevatore", ha detto Alex Y. Wen, coautore dell'articolo. "Abbiamo utilizzato un software chiamato LeptonInjector, che ha modellato tali eventi tenendo conto del flusso di neutrini, della geometria del rivelatore e così via. Questi calcoli ci hanno fornito il numero stimato di eventi di segnale di neutrini per una data supernova.
"Da lì, sulla base di ciò che sapevamo sulle capacità hardware di ATLAS, abbiamo dimostrato che poteva distinguere questi segnali dallo sfondo e recuperare informazioni importanti sul neutrino come la sua carica e il suo sapore."
Sulla base dei loro calcoli, Murase, Wen e i loro colleghi hanno concluso che, anche con statistiche limitate, il rilevatore ATLAS del Large Hadron Collider (LHC) del CERN dovrebbe essere in grado di caratterizzare il sapore dei neutrini. Inoltre, il rivelatore dovrebbe essere in grado di discriminare tra neutrini e antineutrini.
"Molti studi precedenti sui neutrini astrofisici ad alta energia si basavano su rilevatori di grandi volumi che utilizzavano acqua o ghiaccio (come Super-Kamiokande e IceCube)", ha detto Murase. "Questo lavoro dimostra che i rilevatori di particelle di grandi dimensioni negli esperimenti con collisori, come ATLAS e CMS, che hanno una migliore risoluzione energetica e angolare e capacità di identificazione delle particelle, fungono da rilevatori di neutrini astrofisici unici. Questo è potente e complementare all'approccio convenzionale."
Questo recente articolo evidenzia il potenziale dei rivelatori del collisore ATLAS e CMS per il rilevamento futuro di neutrini ad alta energia provenienti da supernove galattiche. In futuro, potrebbe quindi ispirare la collaborazione ATLAS e CMS ad avviare ricerche sui neutrini ad alta energia delle supernove galattiche, aiutando potenzialmente a raccogliere nuove informazioni su queste rare particelle solo con un numero limitato di neutrini.
"Il nostro lavoro aggiunge ATLAS e simili esperimenti densamente strumentati a una rete di esperimenti che monitorano il cielo alla ricerca della prossima supernova galattica", ha detto Carlos Argüelles-Delgado, un altro ricercatore coinvolto nello studio. "È molto emozionante per me pensare agli scienziati di un'ampia gamma di fisici sperimentali delle alte energie, dalle energie da MeV a TeV, che esaminano questo aspetto."
Murase, Wen e i loro collaboratori intendono continuare a esplorare questa strada di ricerca appena identificata. Nei loro prossimi lavori, ad esempio, vorrebbero concentrarsi su come altri rivelatori di collisori potrebbero contribuire all'osservazione dei neutrini ad alta energia.
"Nei nostri studi futuri, potrebbe essere interessante considerare le prospettive per altri rilevatori di collisori e le implicazioni per la fisica oltre il Modello standard", ha aggiunto Murase.
Ulteriori informazioni: Alex Y. Wen et al, Rilevamento di neutrini ad alta energia da supernove galattiche con ATLAS, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.061001
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