Zum ersten Mal haben Physiker hochenergetische „Geisterteilchen“ im größten Atombrecher der Welt erzeugt und nachgewiesen. Die Ergebnisse könnten helfen, die Geheimnisse zu enthüllen, wie Sterne zu Supernova werden.
Kleine Partikel, bekannt als Neutrinosvom Neutrinodetektor FASER am Large Hadron Collider (LHC) – dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, der sich bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in der Nähe von Genf in der Schweiz befindet.
Neutrinos verdienen ihren spektralen Spitznamen, weil sie aufgrund ihrer nicht vorhandenen elektrischen Ladung und ihrer nahezu null Masse kaum mit anderen Arten von Materie interagieren. Getreu dem gespenstischen Spitznamen fliegen Neutrinos fast mit Lichtgeschwindigkeit durch gewöhnliche Materie. Physiker Sie stellten ihre Ergebnisse vor (Öffnet in einem neuen Tab) Auf dem 57. Congress of Electroweak Interactions and Unified Theories Rencontres de Moriond in La Thuile, Italien am 19. März.
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„Wir haben Neutrinos aus einer völlig neuen Quelle entdeckt – Teilchenbeschleunigern – wo zwei Teilchenstrahlen mit extrem hoher Energie zusammenstoßen“, Jonathan Feng (Öffnet in einem neuen Tab)Physiker an der University of California, Irvine und Sprecher der FASER Collaboration, sagte er in einer Erklärung (Öffnet in einem neuen Tab).
Jede Sekunde passieren etwa 100 Milliarden Neutrinos jeden Quadratzentimeter Ihres Körpers. Winzige Teilchen sind überall – erzeugt in den nuklearen Flammen von Sternen, in massiven Supernova-Explosionen, durch kosmische Strahlung und radioaktiven Zerfall sowie in Teilchenbeschleunigern und Kernreaktoren auf der Erde. Tatsächlich sind Neutrinos, die erstmals 1956 beim Ausstoß aus einem Kernreaktor entdeckt wurden, nach Photonen das zweithäufigste subatomare Teilchen im Universum.
Aber trotz ihrer Allgegenwärtigkeit sind sie aufgrund der Wechselwirkungen ladungsloser, massenaher Teilchen mit anderer Materie äußerst schwer zu entdecken. Trotz vieler berühmter Experimente zum Nachweis von Neutrinos – wie Japans Super-Kamiokande-Detektor, Fermilabs MiniBooNE und IceCubes Südpol-Detektor – Sie konnten durch Sonnenenergie erzeugte Neutrinos nachweisen.
Aber die Neutrinos, die uns von der Sonne erreichen, sind nur ein winziger Teil der Geisterteilchen da draußen. Am anderen Ende des Energiespektrums befinden sich die hochenergetischen Neutrinos, die in riesigen Supernova-Explosionen und in Teilchenschauern entstehen, wenn Teilchen aus dem Weltraum mit der Erdatmosphäre kollidieren. Diese hochenergetischen Geister sind Wissenschaftlern bisher ein Rätsel geblieben.
„Diese hochenergetischen Neutrinos am LHC sind wichtig, um wirklich spannende Beobachtungen in der Teilchenastrophysik zu verstehen“, Jimmy Boyd (Öffnet in einem neuen Tab), ein CERN-Teilchenphysiker und Co-Sprecher von FASER, sagte in der Erklärung. Die neuen Entdeckungen könnten helfen zu erklären, wie Sterne brennen und explodieren und wie hochenergetische Neutrino-Wechselwirkungen zur Produktion anderer Teilchen im Weltraum führen.
Um die subatomaren Spektren zu erfassen, bauten Physiker einen Beaver-Teilchendetektor: dichte Metallplatten aus Blei und Wolfram fangen mehrere Schichten einer klebrigen, lichtempfindlichen Substanz ein, die als Emulsion bezeichnet wird. Wenn Bündel hochenergetischer Protonen im Large Hadron Collider miteinander kollidieren, erzeugen sie einen Schauer von Nebenproduktpartikeln, von denen ein kleiner Teil Neutrinos sind, die in Sable eindringen. Die Neutrinos dieser Kollisionen treffen dann auf die Atomkerne in den dichten Blechen und zerfallen in andere Teilchen. Die Emulsionsschichten funktionieren ähnlich wie alter fotografischer Film und interagieren mit Neutrino-Nebenprodukten, um die nachvollziehbaren Umrisse des Partikels einzuprägen, wenn es durch ihn hindurchgeht.
Durch die „Entwicklung“ dieser filmähnlichen Emulsion und die Analyse der Bahnen der Teilchen entdeckten die Physiker, dass einige der Markierungen von Teilchenstrahlen verursacht wurden, die von Neutrinos erzeugt wurden, die durch die Platten hindurchgingen; Sie können sogar identifizieren, welche der drei Teilchen-„Geschmacksrichtungen“ eines Neutrinos – Tau, Myon oder Elektron – sie entdeckt haben.
Die sechs von diesem Experiment nachgewiesenen Neutrinos wurden erstmals im Jahr 2021 identifiziert. Die Physiker brauchten zwei Jahre, um genügend Daten zu sammeln, um sicherzugehen, dass sie echt waren. Jetzt erwarten sie, mehr zu finden, und sie glauben, dass sie sie verwenden können, um Umgebungen im gesamten Universum zu erkunden, in denen sich hochenergetische Geisterpartikel bilden.
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