FASER vangt eerste neutrino’s recht uit de protonbotsingen in ATLAS

21 maart 2023

Voor het eerst hebben natuurkundigen rechtstreeks neutrino’s kunnen waarnemen die ontstaan bij protonbotsingen in de LHC-versneller op CERN. Dat heeft het FASER-experiment bekend gemaakt op de Moriond winterconferentie in Italië.

Volgens Brian Peterson van het experiment is het zonneklaar dat FASER neutrino’s ziet die in de ATLAS-detector ontstaan als daar protonen botsen. Het signaal heeft met 16 sigma een extreem hoge statistische betrouwbaarheid. In deeltjesexperimenten geldt vijf sigma als een waterdicht experimenteel bewijs.

Het FASER-experiment is een relatief kleine detector die is opgesteld in het verlengde van de ATLAS-detector in de cirkelvormige LHC-versneller. ATLAS zelf heeft in die richting een blinde vlek omdat de versnellerbuis in de weg zit. De FASER-detector staat zo’n 480 meter verderop in een servicetunnel, op een plek waar de versnellerbuis niet langer in de weg zit.

Het experiment, waarbij ook een aantal Nikhef-fysici betrokken zijn, is in 2021 gebouwd met voornamelijk hergebruikte apparatuur van andere experimenten. Vanuit Nikhef werkt onder andere ATLAS-fysicus Lydia Brenner aan FASER mee.

Donkere fotonen

Het belangrijkste doel van het experiment is de zoektocht naar zogeheten donkere fotonen. Dat zijn hypothetische deeltjes die een rol kunnen spelen bij de relatie van materie met donkere materie. Donkere materie is de onbekende materie die tot viervijfde van alle zwaartekracht in het heelal veroorzaakt.

In de metingen met FASER is tot nog toe geen enkel signaal gezien dat een donker foton zou kunnen zijn. Dit nul-resultaat geeft volgens de natuurkundigen al wel belangrijke grenzen aan de mogelijke eigenschappen van donkere fotonen.

Dat neutrino’s, haast massaloze ongeladen elementaire deeltjes zonder veel interacties, ontstaan bij deeltjesprocessen is op zich niet nieuw of bijzonder. Hun bestaan wordt tot nog toe echter altijd afgeleid uit het ontbreken van energie in botsingsprocessen.

Hoogste energie

FASER zag in een jaar meten 153 (+/- 41) neutrino’s passeren die alleen maar uit de botsingen in de ATLAS-detector in de LHC afkomstig konden zijn. Dat is precies als verwacht werd. De spookdeeltjes laten sporen achter in de sensoren van het apparaat.

Sommige van de waargenomen neutrino’s hebben de tot nog toe hoogste energie die in fysische experimenten zijn gezien. Alleen neutrino’s uit de kosmos, gemeten in bijvoorbeeld de ICECUBE-detector op de Zuidpool hebben nog veel hogere energieën.

Nikhef-fysicus Lydia Brenner van ATLAS en FASER is opgetogen over de eerste resultaten. “Twee ongelofelijk precieze resultaten uit de eerste beperkte dataset die we analyseerden”, zegt ze. Op de Moriond-conferentie werd het resultaat een van de hoogtepunten van de dag genoemd.

Een artikel over de eerste FASER-metingen zal binnenkort verschijnen op de arxiv-website. De slides van de voordracht op de Moriond-conferentie zijn al wel gepubliceerd.