Учёные рассматривают возможность использования детекторов нейтрино в качестве гигантских коллайдеров частиц
Физики обсуждают возможность использования детекторов нейтрино в качестве гигантских коллайдеров частиц. Ян Бай из Университета Висконсина и его команда считают, что это может стать более эффективным решением, чем строительство новых коллайдеров.
Ограничения наземных коллайдеров
Существует ограничение на размер коллайдеров частиц, которые мы можем построить на Земле. Это связано либо с ограниченным пространством, либо с экономическими факторами. Размер коллайдера эквивалентен его энергетической отдаче, что означает, что существует предел того, насколько энергичными мы можем их сделать. А поскольку для проверки теорий, выходящих за рамки стандартной модели (БСМ) физики частиц, требуются высокие энергии, это означает, что мы будем ограничены в наших возможностях подтверждения этих теорий до тех пор, пока не построим достаточно большой коллайдер.
Использование детекторов нейтрино
Команда учёных под руководством Яна Бая предлагает использовать уже существующие детекторы нейтрино в качестве крупномасштабного коллайдера частиц, который может достичь энергий, намного превышающих возможности LHC.
Нейтрино известны тем, что очень слабо взаимодействуют с материей. Однако, если поставить на их пути достаточно материи, некоторые из них всё равно будут взаимодействовать с протонами или электронами. В результате образуется поток частиц, который движется быстрее света в той среде, с которой сталкивается нейтрино, и создаёт свет, известный как излучение Черенкова.
Проекты детекторов нейтрино
Проекты IceCube в Антарктиде, KM3NeT в Средиземном море и Baikal-GV на озере Байкал, а также один из самых мощных проектов — JUNO в Цзянмэне, Китай, были разработаны с учётом обнаружения этого света.
Доктор Бай и его коллеги считают, что эти массивные лаборатории можно использовать в качестве Большого нейтринного коллайдера (LvC). В этих детекторах есть два типа событий взаимодействия нейтрино — «треки» и «ливни». В статье основное внимание уделяется событиям «трек», которые происходят, когда нейтрино взаимодействует с мюоном, и создают чёткие «треки» света, которые можно легко проанализировать.
Ультравысокоэнергетические нейтрино
Важно отметить, что многие события «трек» вызваны ультравысокоэнергетическими нейтрино, которые могут высвобождать энергию до 220 петаэлектронвольт. Это почти в 16 000 раз больше энергии, чем LHC может получить при своих столкновениях.
Работа в этой области высоких энергий позволит физикам увидеть новые частицы, которые выходят за рамки стандартной модели. В частности, существует тип частицы, называемый лептоквадрон, который «окрашен» подобно глюонам, но также взаимодействует с лептонами, и является частью «составных» моделей, которые предполагают, что лептоны и глюоны сделаны из одного и того же материала.
Ограничения Большого нейтринного коллайдера
К сожалению, авторы также подсчитали, что для многих других типов взаимодействий LvC либо находится на одном уровне с LHC, либо даже отстаёт от него. Поиск лептокварков, одной из частиц, предложенных некоторыми теориями Великого объединения, будет «сопоставим» с LHC, но для поиска новых тяжёлых векторных бозонов LvC не сможет конкурировать с LHC в нынешнем виде.
Тем не менее, перепрофилирование уже существующей физической инфраструктуры для проведения новых и интересных экспериментов по обнаружению частиц звучит многообещающе. Существует несколько новых поколений детекторов нейтрино, которые увеличивают площадь обнаружения и тем самым расширяют возможности LvC. Но пока они всё ещё находятся в стадии разработки.
Бозон Хиггса и его роль в физике частиц
4 июля 2012 года исследователи на Большом адронном коллайдере (LHC) в Швейцарии объявили о том, что они успешно обнаружили бозон Хиггса — проявление механизма, который придаёт некоторым элементарным частицам массу. Это открытие стало триумфом как экспериментального мастерства, необходимого для окончательного обнаружения частицы, так и теоретической проницательности тех, кто предсказал её существование, что было отмечено Нобелевской премией по физике 2013 года.
Исследователи из Университета Брауна сыграли ключевую роль в обоих аспектах этого достижения. Экспериментаторы, включая Дэвида Каттса, Ульриха Хайнца, Грега Лэнсберга и покойную Минакши Нарайн, внесли ключевой вклад в эксперимент Compact Muon Solenoid (CMS) на LHC, которому приписывают открытие частицы.
Бозон Хиггса стал последним недостающим элементом в стандартной модели физики частиц — теории, описывающей основные строительные блоки Вселенной. Но его обнаружение ни в коем случае не стало конечным пунктом для физики частиц. Фундаментальные вопросы о самом бозоне Хиггса остаются без ответа.
В конце октября физики со всего мира собрались в Университете Брауна на ежегодную конференцию по бозону Хиггса, чтобы обсудить эти и другие вопросы. В этом году конференция, впервые проведённая в Брауне, была организована Гаэтано Бароне и Лукой Гускосом, доцентами Университета Брауна и частью группы экспериментаторов-физиков, в которую входят доценты Мэтт ЛеБлан и Дженнифер Ролофф.
Гускос рассказал о конференции в интервью. «Это частица, которую мы обнаружили более десяти лет назад, и она была очень неуловимой. Мы искали её около 50 лет. Это частица, связанная с полем Хиггса, которое пронизывает Вселенную. Взаимодействие с этим полем задаёт массы кварков и заряженных лептонов — строительных блоков материи, а также массивных переносчиков силы. Так что это фундаментально для всего, что мы знаем о Вселенной».
Открытие частицы не стало концом истории, как может подумать многие. Оно фактически открыло новую главу исследований. Мы хотим понять, насколько сильно она взаимодействует с другими частицами и с самой собой, взаимодействует ли она с частицами, выходящими за рамки тех, что предсказаны Стандартной моделью, и многое другое. Любое отклонение от предсказаний Стандартной модели может указывать на новые частицы или силы.
Понимание этих взаимодействий связано с некоторыми из глубочайших вопросов о Вселенной. Например, точные измерения того, как бозон Хиггса взаимодействует с другими частицами и с самим собой, могут быть связаны с тем, почему материя преобладает над антиматерией — следовательно, почему мы существуем. Это также может дать ключ к пониманию природы частиц тёмной материи.
Мы также хотим понять потенциал Хиггса — энергетический ландшафт поля Хиггса, из которого производится частица. Теперь, когда мы обнаружили частицу, мы знаем, каков минимум этого потенциала Хиггса, но мы не знаем, является ли это универсальным минимумом или может ли он фактически квантово туннелировать в более низкое энергетическое состояние. Если бы это произошло, это полностью изменило бы судьбу Вселенной. Но пока нам не стоит волноваться. Текущие данные указывают на то, что время жизни частиц намного больше возраста Вселенной.
published on the arXiv preprint server.»,»Neutrinos are notorious for very weakly interacting with things—there are trillions of them passing through you as you read this sentence. However, put enough matter in their way and eventually a special few will run directly into a proton or electron. The resulting particle spray, which is typically going faster than light in whatever medium the neutrino hits, creates a light known as Cherenkov radiation. But really what causes the Cherenkov radiation are the particles created by what is essentially a giant particle collider.»,»We already intentionally build neutrino detectors out of giant blocks of ice or vats of water. In traditional detectors, these massive areas of clear material are surrounded by photodetectors, which pick up any stray Cherenkov radiation simply as a source of photons. Projects IceCube in Antarctica, KM3NeT in the Mediterranean, and Baikal-GV in Lake Baikal, not to mention one of the most powerful one yet, JUNO, in Jiangmen, China, that is just now coming online, were designed with that light detection in mind. But Dr. Bai and his colleagues think they can do more.»,»They suggest using these massive laboratories as a Large Neutrino Collider (LvC—v is the symbol in particle physics for a neutrino). In these detectors, there are two types of neutrino interaction events—\»tracks\» and \»showers.\» The paper focuses on \»track\» events, which happen when a neutrino interacts with a muon, and create clear \»tracks\» of light that can easily be analyzed. \»Showers,\» on the other hand, are caused by other types of reactions and show up as spherical bursts of light that are much harder to analyze.»,»Importantly, many of the track events are caused by Ultra-High Energy neutrinos, which can release energies up to 220 peta-electron volts, like one that was recently detected at KM3NeT. That is almost 16,000 times more energy that the LHC can currently make with its collisions.»,»Operating in that high energy field would allow physicists to glimpse new particles that go beyond the standard model. In particular, there is a type of particle called a Leptogluon, which are both \»colored\» like gluons, but also interact leptons, and are part of \»composite\» models that theorize that leptons and gluons are made of the same material. These are an ideal target, as they are theoretically very heavy, but could be detected very effectively using the LvC, especially bigger versions that might come online soon.»,»Unfortunately, the authors also calculated that, for many other types of interactions, the LvC is either on par with or even lags behind what the LHC is capable of. Searching for leptoquarks, one of the particles suggested by some Grand Unified Theories, the LvC would be \»comparable\» to the LHC, but for a search for new heavy vector bosons it wouldn’t even be able to compete with the LHC as is.»,»With all that being said, repurposing an already existing piece of physics infrastructure to do new and interesting detection work sounds promising. There are several new generations of neutrino detectors that scale up the detection area, and thereby would enhance the LvC’s capabilities. But they are still on the drawing board for now.»,»Maybe this paper will inspire their designers to consider including some particle detection equipment alongside the photodetectors to really get the best use case out of these fascinating experiments.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniverse Today\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник