06.03.2024

Детектор ATLAS может измерять поток высокоэнергетических нейтрино сверхновых

Ингрид Фаделли

Мюонспектрометр ATLAS. Фото: CERN / Science Photo Library.

Высокоэнергетические нейтрино - чрезвычайно редкие частицы, которые до сих пор было очень сложно обнаружить. Потоки этих редких частиц были впервые обнаружены сотрудниками коллаборации IceCube в 2013 году.

Недавние работы, опубликованные в Physical Review D и The Astrophysical Journal Letters, показали, что близлежащие сверхновые, особенно галактические, могут быть перспективными источниками высокоэнергетических нейтрино. Это вдохновило новые исследования, изучающие возможность обнаружения нейтрино из этих источников с помощью детекторов крупных коллайдеров частиц, таких как детектор ATLAS в ЦЕРНе.

Исследователи из Гарвардского университета, Университета Невады и Университета штата Пенсильвания недавно продемонстрировали, что детектор ATLAS может измерять поток высокоэнергетических нейтрино сверхновых. Их новая работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, может стимулировать будущие усилия, направленные на обнаружение потоков высокоэнергетических нейтрино.

«Карлос А. Аргуэльес, Али Хейрандиш и я познакомились друг с другом на семинаре KITP в Санта-Барбаре и выяснили, что высокоэнергетические нейтрино сверхновых являются перспективными целями не только для больших нейтринных детекторов, но и для детекторов физики частиц», - рассказал Phys.org Кохта Мурасэ, соавтор статьи. «Коллайдерные детекторы, такие как ATLAS и LHC, могут быть гораздо лучше нейтринных детекторов, таких как IceCube, для изучения свойств нейтрино (флейворов, антинейтрино, новых физических частиц и т.д.)».

Взаимодействие сверхновых. Фото: Kiso Observatory, The University of Tokyo.

Уже известны нейтрино-нуклоны, масса ATLAS и ожидаемый поток нейтрино от сверхновой в зависимости от времени. Рассматривая интегральную часть этих известных величин вместе, Мурасе и его коллеги смогли оценить количество нейтрино, которые будут напрямую взаимодействовать с детектором ATLAS.

«Мы также учли нейтрино, которые взаимодействуют на Земле за пределами детектора и производят мюон, который может быть обнаружен в детекторе», - говорит Алекс Й. Вен, соавтор статьи. «Мы использовали программное обеспечение под названием LeptonInjector, которое моделировало такие события с учетом потока нейтрино, геометрии детектора и так далее. Эти расчеты дали нам примерное количество событий нейтринного сигнала для конкретной сверхновой».

«Далее, основываясь на том, что мы знали об аппаратных возможностях ATLAS, мы показали, что он может отличить эти сигналы от фона и восстановить важную информацию о нейтрино, такую как его заряд и спектр».

На основании своих расчетов Мурасе, Вен и их коллеги пришли к выводу, что даже при ограниченной статистике детектор ATLAS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе должен быть способен охарактеризовать спектр нейтрино. Кроме того, детектор должен быть способен различать нейтрино и антинейтрино.

Строящийся плитчатый калориметр, железный детектор в центре ATLAS

«Многие предыдущие исследования высокоэнергетических астрофизических нейтрино опирались на детекторы большого объема, использующие воду или лед (такие как Super-Kamiokande и IceCube)», - говорит Мурасэ. «Эта работа демонстрирует, что детекторы частиц большого объема в коллайдерных экспериментах, таких как ATLAS и CMS, которые имеют гораздо лучшее энергетическое и угловое разрешение и возможности идентификации частиц, служат уникальными детекторами астрофизических нейтрино. Это мощный вспомогательный по отношению к традиционному подход».

Эта свежая статья подчеркивает потенциал детекторов коллайдеров ATLAS и CMS для обнаружения высокоэнергетических нейтрино, исходящих от галактических сверхновых. Таким образом, в будущем она может вдохновить сотрудничество ATLAS и CMS начать поиски высокоэнергетических нейтрино из галактических сверхновых, что потенциально поможет извлечь новые знания об этих редких частицах уже при наличии ограниченного числа нейтрино.

«Наша работа присоединяет ATLAS и подобные ему эксперименты с плотным инструментарием к сети экспериментов, наблюдающих за небом в поисках новых галактических сверхновых», - сказал Карлос Аргуэльес-Дельгадо, другой исследователь, участвовавший в исследовании. «Мне приятно думать о том, что ученые из широкого спектра экспериментальной физики высоких энергий - от МэВ до ТэВ - изучают этот вопрос».

Мурасэ, Вен и их соавторы планируют продолжить изучение этого недавно выявленного направления исследований. Например, в своих следующих работах они хотели бы сосредоточиться на том, как другие детекторы коллайдеров могут внести вклад в наблюдение высокоэнергетических нейтрино.

«В наших будущих исследованиях интересно рассмотреть перспективы других детекторов коллайдеров и последствия для физики за пределами Стандартной модели», - добавил Мурасэ.

Источник: phys.org