Los detectores del LHC (como ATLAS y CMS) no pueden detectar neutrinos en las colisiones protón-protón; solo observan una pérdida de energía y momento lineal que se asocia a la presencia de un neutrino. Entre 2019 y 2021 se instaló el detector de neutrinos FASER (ForwArd Search ExpeRiment) a 480 metros del punto de colisión IP1, donde se encuentra ATLAS, con 100 metros de roca para reducir los sucesos de fondo. Ha tomado datos durante el LHC Run 3 en 2022 y se han registrado más de 350 millones de sucesos. El pasado 19 de marzo de 2023 en el congreso 57th Recontres de Moriond se hizo público el primer suceso que muestra la detección de un neutrino electrónico (27-oct-2022, Run 8942 Event 47032829) con una energía de 843.8 GeV; en los 35.4 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones recabadas en 2022 se han observado ~150 neutrinos (se esperaba observar 151±41). El artículo con el análisis detallado de estos resultados está en preparación, pero nos alegra que FASER haya sido todo un éxito. Además de neutrinos busca (potenciales) fotones oscuros, pero no se ha observado ninguno (0.0020±0.0024 sucesos).
Conocer la distribución estadística de los neutrinos producidos en las colisiones protón-protón del LHC no es lo mismo que saber en qué colisión concreta se generó un neutrino observado; pero dicha información es complementaria. Según los modelos teóricos, para 35 /fb de colisiones se estima que O(10¹⁰) neutrinos electrónicos producidos en la desintegración de kaones atraviesen FASER, de los que solo se podrán detectar ~200; también se estima que lo hagan O(10¹¹) neutrinos muónicos producidos en la desintegración de piones, de los que se se podrán detectar ~1200; y, finalmente, unos O(10⁸) neutrinos tauónicos producidos en la desintegración de mesones encantados, de los que se se podrán detectar ~4. Sin lugar a dudas el artículo de FASER con el análisis de sus datos merecerá toda nuestra atención.
Los primeros resultados de FASER se han presentado en Brian Petersen (on behalf of the FASER Collaboration), «First Physics Results from the FASER Experiment,» 57th Recontres de Moriond, 19 Mar 2023 [indico]. La web de FASER en el CERN con muchas fotos y detalles del detector [web].
Por cierto, antes del inicio del LHC Run 3, una versión piloto de FASER llamada FASERν observó en 2018 neutrinos producidos en las colisiones del LHC Run 2, como te conté en «El primer neutrino observado en el LHC gracias al prototipo de FASERν», LCMF, 18 may 2021. Su análisis se publicó en FASER Collaboration, «First neutrino interaction candidates at the LHC,» Physical Review D 104: L091101 (24 Nov 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.L091101, arXiv:2105.06197 [hep-ex] (13 May 2021).
Los neutrinos producidos en el punto de colisión IP1 orientados en la dirección de FASER recorrerán parte del túnel del LHC y unos 100 metros de roca hasta alcanzar su detector de emulsión (parte roja a la derecha de esta figura). Tras superar unos detectores de centelleo entrará en el volumen de desintegración; aquí se espera que se generen las hipotéticas partículas de baja masa, como los fotones oscuros con masa entre 10 y 200 MeV/c², que FASER pretende descubrir. Estas hipotéticas partículas se desintegrarán en parejas de leptones cargados (como un par electrón-positrón) que atravesarán imanes dipolares de 0.57 T hasta alcanzar un calorímetro electromagnético (donde ofrecerán una señal doble).
La física de neutrinos estudiada por FASER es un complemento de la realizada en detectores que usan haces de neutrinos generados por colisionadores (colisiones de protones contra blancos de grafito). FASER observará neutrinos con energías entre 600 GeV y 1 TeV; destacará su observación de neutrinos tau (observados por primera vez a cinco sigmas por OPERA en Gran Sasso). Sus futuros resultados nos ofrecerán las observaciones de neutrinos más energéticos producidos en colisionadores (aunque muy por debajo de la energía que observan detectores como IceCube).
Estos neutrinos tienen la ventaja de que se conoce en detalle cómo fueron producidos (colisiones protón-protón a una energía bien determinada). Por ello permitirán estudiar la universalidad leptónica con neutrinos y usarlos para conocer mejor el contenido encantado del protón. Pero quizás lo más interesante es la búsqueda de partículas de baja masa que interaccionan de forma extremadamente débil (y que podrían producirse de forma copiosa en las colisiones del LHC sin que ningún detector dé cuenta de su presencia). Un buen ejemplo son los fotones oscuros, bosones vectoriales con masa asociados a una nueva interacción U(1) en el modelo estándar; pero también se buscarán bosones de Higgs oscuros, nuevos leptones neutros pesados, incluso (en un futuro FASER 2) partículas de tipo axión (ALP), todos ellos potenciales candidatos a formar parte de la materia oscura.
Se ha publicado el primer límite de exclusión para fotones oscuros con masa entre 10 y 200 MeV/c². Este primer límite de exclusión (curva negra con intervalo a una sigma en verde) mejora un poco estimaciones previas, siendo comparable al nuevo resultado de NA62 (que también se han anunciado en Moriond). Por supuesto se trata de resultados preliminares; el análisis definitivo aparecerá cuando se publique el artículo científico de la colaboración FASER.
En resumen, un gran resultado de FASER, que es el primer detector que ha observado neutrinos producidos en las colisiones protón-protón del LHC Run 3; con todos los adjetivos porque ya se observaron neutrinos del LHC Run 2 y porque otros detectores observan neutrinos producidos por en colisionadores (por colisiones protón-carbono, haces de protones que inciden en blancos de grafito). No se espera que haya grandes aportes de FASER a la física de neutrinos; pero quien sabe, la Naturaleza muchas veces nos ofrece sorpresas inesperadas.
Muy interesante, gracias Francis.
Erratas: donde dice «Por ello permitirán estudiar la universalidad leptónico» debería decir universalidad leptónicA. Donde dice » Pero quizás lo más interesante se la búsqueda» debería decir ES la búsqueda.
Saludos
Gracias.
Me imagino que la razón por la que cierras el artículo diciendo que no se espera que esto modifique la física de neutrinos es por el número bajo de neutrinos generados aquí en comparación con fuentes naturales, ¿no? ¿O hay otras razones? Mil gracias
Fer, no creo que aporte nada sobre los grandes problemas abiertos sobre la física de los neutrinos; pero me gustaría estar equivocado.
Una muy buena noticia que Francis nos acerque de nuevo resultados del LHC, y sin embargo sabe un poco amargo que no vaya a servir para desentrañar los grandes misterios sobre estos pequeñuelos.
Tengo una gran inquietud por saber lo siguiente: el campo de Higgs dota de masa a las partículas, pero qué partículas son esas? Si entran como quarks, electrones, etc. ya tienen su masa. Por otra parte si proceden de la vibración de cuerdas también están definidas. Comprendo que esto es muy complejo , pero a mis 86 años es una de las muchas cosas que no entiendo. Mi nivel matemático es básico, llego a las ecuaciones diferenciales. Gracias
José, la masa del electrón, por ejemplo, depende de la energía (esto es un hecho experimental); lo que tienes en mente como masa constante es su valor a energía cero (que se obtiene por extrapolación); pero a alta energía la masa decrece con la energía, hasta que a cierta energía la masa se anula y a partir de esa energía el electrón se comporta como una partícula sin masa (esto son hechos experimentales). El modelo estándar explica este fenómeno gracias al acoplamiento del campo del electrón con el campo del bosón de Higgs; este último tiene dos vacíos (el campo del electrón solo tiene uno) y muestra una rotura de simetría (cambio de vacío) a cierta energía; este fenómeno es el responsable de la aparición de la masa del electrón en el modelo estándar. Y lo mismo para los quarks, aunque sus masas no se pueden medir con precisión (salvo la del quark top), y las demás partículas con masa.
La rotura de simetría electrodébil se puede entender a nivel clásico usando ecuaciones diferenciales en derivadas parciales (ecuaciones de onda no lineales) para el campo del electrón (ecuación de Dirac) y para el campo de Higgs (ecuación de Klein-Gordon no lineal cuártica); obviamente, el fenómeno es cuántico, pero la explicación clásica te permite entender grosso modo la idea. Si te interesan los detalles, bucea en este blog (hay cientos de piezas dedicadas a la física del bosón de Higgs a diferente nivel, algunas incluyendo ecuaciones diferenciales).
No si es algo básico pero no entiendo porque los neutrinos electrónicos esperados vienen de la de los kaones, los neutrinos muónicos de la desintegración de piones y los neutrinos tautónicos de la desintegración de mesones encantados. Gracias y saludos
Dabed, los neutrinos producidos en las colisiones protón-protón del LHC se producen en las desintegraciones de sus productos hadrónicos (la probabilidad de otros modos de producción es muy pequeña en comparación), que son piones, kaones, mesones encantados y mesones bellos (la probabilidad de otros productos es muy pequeña en comparación); la producción de bariones es mucho menor que la de mesones. Se producen muchos más piones que kaones, muchos más kaones que mesones encantados, y muchos más mesones encantados que mesones bellos.
Los piones y kaones cargados se desintegran de forma preferente en neutrinos muónicos vía π → μ νμ y K → μ νμ; por tanto, en la producción de neutrinos muónicos dominan los producidos por piones. Los piones se desintegran en neutrinos electrónicos con muy baja probabilidad, por lo que estos últimos provienen de la desintegración de kaones en piones vía K → π e νe (mil veces más probable), aunque también hay una pequeña contribución de bariones lambda vía Λ → p e νe. Las desintegraciones de mesones encantados producen neutrinos electrónicos y muónicos, pero en un número mucho menor que piones y kaones; sin embargo, dominan la producción de neutrinos tauónicos, gracias a las desintegraciones de mesones D vía D → τ ντ. La desintegración de mesones B aporta una contribución despreciable a la producción de neutrinos.