Otro objetivo del experimento es estudiar las interacciones de los neutrinos de alta energía producidos en las colisiones del LHC, partículas que son casi imposibles de detectar en los cuatro grandes experimentos del LHC. La semana pasada, en la conferencia anual Rencontres de Moriond, la colaboración FASER presentó una medida de la fuerza de interacción, o "sección transversal", de neutrinos electrónicos (ν_e ) y neutrinos muónicos (ν_μ ).

Esta es la primera vez que se realiza una medición de este tipo en un colisionador de partículas. Mediciones de este tipo pueden proporcionar información importante sobre diferentes aspectos de la física, desde comprender la producción de partículas "directas" en las colisiones del LHC y mejorar nuestra comprensión de la estructura del protón hasta interpretar mediciones de neutrinos de alta energía de fuentes astrofísicas realizadas por Experimentos con telescopios de neutrinos.

FASER está situado en un túnel lateral del acelerador LHC, a 480 metros del punto de colisión del detector ATLAS. En ese lugar, el haz del LHC ya se encuentra a casi 10 metros de distancia, desviándose en su trayectoria circular de 27 kilómetros. Se trata de un lugar único para estudiar las partículas que interactúan débilmente y que se producen en las colisiones del LHC.

Las partículas cargadas producidas en las colisiones son desviadas por los imanes del LHC. La mayoría de las partículas neutras son detenidas por los cientos de metros de roca entre FASER y ATLAS. Se espera que sólo las partículas neutras que interactúan muy débilmente, como los neutrinos, sigan recto y lleguen al lugar donde está instalado el detector.

La probabilidad de que un neutrino interactúe con la materia es muy pequeña, pero no nula. El tipo de interacción al que FASER es sensible es cuando un neutrino interactúa con un protón o un neutrón dentro del detector. En esta interacción, el neutrino se transforma en un "leptón" cargado de la misma familia:un electrón en el caso de un ν_e. , y un muón en el caso de un ν_μ —que es visible en el detector. Si la energía del neutrino es alta, en la colisión también se producen otras partículas.

El detector utilizado para realizar la medición consta de 730 placas de tungsteno intercaladas y placas de emulsión fotográfica. La emulsión estuvo expuesta durante el período del 26 de julio al 13 de septiembre de 2022 y luego se desarrolló y analizó químicamente en busca de pistas de partículas cargadas.

Los candidatos para las interacciones de neutrinos se identificaron buscando grupos de huellas que pudieran rastrearse hasta un solo vértice. Una de estas huellas tuvo que ser identificada como un electrón o muón de alta energía.

En total, cuatro candidatos a un ν_e interacción y ocho candidatos para un ν_μ Se han encontrado interacciones. Los cuatro ν_e Los candidatos representan la primera observación directa de neutrinos electrónicos producidos en un colisionador. Las observaciones pueden interpretarse como mediciones de secciones transversales de interacción de neutrinos, lo que arroja (1,2 ^+0,9 _-0,8 ) ×10 ⁻³⁸ cm ² GeV ^-1 en el caso del ν_e y (0,5 ± 0,2) × 10 ⁻³⁸ cm ² GeV ^-1 en el caso del ν_μ .

Se encontró que las energías de los neutrinos se encuentran en un rango entre 500 y 1700 GeV. Hasta ahora no se había medido la sección transversal de interacción de neutrinos a energías superiores a 300 GeV en el caso del ν_e. y entre 400 GeV y 6 TeV en el caso del ν_μ .

Los resultados obtenidos por FASER, publicados en el arXiv servidor de preimpresión, son consistentes con las expectativas y demuestran la capacidad de FASER para realizar mediciones de la sección transversal de neutrinos en el LHC. Con los datos completos del LHC Run 3, se detectarán 200 veces más eventos de neutrinos, lo que permitirá realizar mediciones mucho más precisas.