El primer neutrino observado en el LHC gracias al prototipo de FASERν

Por Francisco R. Villatoro, el 18 mayo, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Los neutrinos se observan de forma indirecta en el LHC, como pérdidas de energía en la cinemática de las colisiones. La detección directa exige un detector específico, FASERν, que se ha instalado en diciembre de 2019 y tomará datos a partir de 2022. En 2018 se instaló un prototipo de FASERnu de solo 29 kg en el punto TI18, a 480 metros del punto de colisiones (IP1), donde está ATLAS. El prototipo ha observado 18 eventos candidatos a neutrinos tras cuatro semanas de toma de datos compatibles con entre 6 y 12 neutrinos muónicos; se descarta una fluctuación del fondo a 2.7 sigmas de significación siendo el resultado compatible con los 3.3 neutrinos esperados a solo 1.7 sigmas. A pesar de que no se han logrado cinco sigmas, apenas tres sigmas, se considera la primera observación detección directa de un neutrino (muónico) en el LHC. Todo un hito para los libros de historia.

FASERnu se ha instalado en el punto TI12, también a 480 metros del IP1, en una posición simétrica respecto a TI18. En el LHC Run 3 que se iniciará en 2022 se espera recopilar 150 /fb de colisiones protón-protón a 14 TeV, que producirán alrededor de un billón de neutrinos en la dirección del detector FASERν, con una energía picada alrededor de 1 TeV. El estudio de dichos neutrinos nos permite cerrar el hueco que hay entre los neutrinos muónicos detectados indirectamente en el LHC, cuyas energías Eν < 360 GeV, y los neutrinos observados por IceCube y otros detectores similares, cuyas energías Eν > 6.3 TeV. Sin lugar a dudas, FASERν será un complemento ideal para los detectores del LHC.

El artículo es FASER Collaboration, «First neutrino interaction candidates at the LHC,» arXiv:2105.06197 [hep-ex] (13 May 2021); algunas de las figuras las he extraído de «Auxiliary material for the paper “First neutrino interaction candidates at the LHC”,» CERNbox, May 2021. Más información de FASERnu y el futuro FASERnu2 en Tomoko Ariga (on behalf of the FASER Collaboration), «Detecting and studying high-energy collider neutrinos FASER𝜈,» Neutrino Physics at the LHC, 15 Jan 2021 (indico, slides PDF).

Esta figura muestra la posición del prototipo de FASERnu en el punto TI18 que ha logrado la primera detección directa de un neutrino muónico en el LHC. También muestra la posición del detector FASERnu en el punto TI12, así como la dirección del haz de neutrinos que sale del punto de colisión IP1 hacia dicho detector; aunque la distancia que los separa es de 480 metros, los últimos ~100 metros son roca.

Esta figura muestra la predicción teórica para el prototipo de FASERnu tras analizar 12.2 /fb de colisiones pp a 13 TeV. Se ha calculado usando diferentes métodos; la línea gruesa muestra la predicción promedio y la banda de color la incertidumbre predicha por la variabilidad de dichos métodos. Para tener una idea de lo que observará FASERnu tras analizar 150 /fb de colisiones pp a 14 TeV parea razonable multiplicar estas curvas por un factor de 12 (~150/12) en vertical; así no se espera poder observar neutrinos tau, mientras que se espera observar unas decenas de neutrinos muónicos y una decena de neutrinos electrónicos.

Esta figura muestra los 18 eventos observados junto con la predicción para el fondo (11.9 eventos) y para la señal de neutrinos (6.1 eventos). Los tres eventos pico parecen una señal clara de la detección directa, pero solo se puede descartar que correspondan a una fluctuación del fondo con 2.7 sigmas de signifcación estadística. Me permito augurar que en un par de años (~2024) se publicará un análisis similar con los primeros resultados de FASERnu que incluirá la primera detección directa a más de cinco sigmas de un neutrino muónico (y de uno elecrónico con unas tres sigmas) en el LHC. Habrá que estar al tanto.



4 Comentarios

    1. Felipe, se usa la técnica estándar para detectar neutrinos (por eso no he detallado lo bien conocido por todos); el método es similar, por ejemplo, al usado por el experimento OPERA. Resumiendo mucho, la colisión del neutrino en el blando produce un leptón cargado que se propaga produciendo una traza en una emulsión (si es un tau tras dejar la traza decaerá en muones y producirá trazas adicionales). En el prototipo de FASER se han usado películas de emulsión separadas por placas metálicas paralelas (en concreto, 101 placas de plomo de 1 mm de grosor y 120 placas de wolframio de 0.5 mm de grosor).

    1. Pep, ifb, o /fb, o fb^-1, significa inverso de femtobarn, es decir, 10^-15 barns. Un barn es una unidad de área, la sección eficaz de un núcleo de uranio. La sección eficaz de las colisiones entre partículas se miden en barns; por ejemplo, la colisión de dos protones a 7 TeV en el LHC Run 1 tiene una sección eficaz de 110 milibarn y para ella la producción de un Higgs es de unos 10 picobarn (dividiendo puedes saber cuántos inversos de femtobarn son necesarios para producir un Higgs en el LHC). La luminosidad (o número de colisiones) se mide en inversos de barn (inversos de femtobarn en un colisionador como el LHC, inversos de attobarn en un colisionador como el futuro HL-LHC).

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