Нейтрино высоких энергий — чрезвычайно редкие частицы, обнаружить которые до сих пор оказалось очень трудно. Потоки этих редких частиц были впервые обнаружены коллаборацией IceCube еще в 2013 году.
Недавние статьи, опубликованные в Physical Review D и The Astrophysical Journal Letters, показали, что близлежащие сверхновые, особенно галактические, могут быть многообещающими источниками нейтрино высоких энергий. Это вдохновило на новые исследования, изучающие возможность обнаружения нейтрино, происходящих из этих источников, с помощью детекторов крупных коллайдеров частиц, таких как детектор ATLAS в ЦЕРН.
Исследователи из Гарвардского университета, Университета Невады и Университета штата Пенсильвания недавно продемонстрировали, что детектор ATLAS может измерять поток высокоэнергетических нейтрино сверхновых. Их новая статья , опубликованная в журнале Physical Review Letters , может вдохновить будущие усилия, направленные на обнаружение потоков нейтрино высоких энергий.
«Карлос А. Аргуэльес, Али Хейрандиш и я встретились на семинаре KITP в Санта-Барбаре и выяснили, что нейтрино сверхновых высокой энергии являются многообещающими мишенями не только для больших детекторов нейтрино, но и для детекторов физики элементарных частиц», — Кохта Мурасе, соавтор — рассказал автор статьи Phys.org. «Коллайдерные детекторы, такие как ATLAS на БАКе, могут быть намного лучше, чем детекторы нейтрино, такие как IceCube, для изучения свойств нейтрино (ароматы, антинейтрино, новая физика и т. д.)».
Уже были известны нейтрино-нуклонные сечения, масса ATLAS и ожидаемый поток нейтрино от данной сверхновой в зависимости от времени. Рассмотрев вместе неотъемлемую часть этих известных величин, Мурасе и его коллеги смогли оценить количество нейтрино, которые будут напрямую взаимодействовать в детекторе ATLAS.
«Мы также учли нейтрино, которые взаимодействуют с Землей вне детектора и производят мюон, который может быть обнаружен внутри детектора», — сказал Алекс Ю. Вен, соавтор статьи. «Мы использовали программное обеспечение под названием LeptonInjector, которое моделировало такие события с учетом потока нейтрино, геометрии детектора и т. д. Эти расчеты дали нам примерное количество событий нейтринного сигнала для данной сверхновой.
«Основываясь на том, что мы знали об аппаратных возможностях ATLAS, мы показали, что он может отличать эти сигналы от фона и восстанавливать важную информацию о нейтрино, такую как его заряд и аромат».
Основываясь на своих расчетах, Мурасе, Вен и их коллеги пришли к выводу, что даже при ограниченной статистике детектор ATLAS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН (БАК) должен быть в состоянии охарактеризовать аромат нейтрино. Кроме того, детектор должен уметь различать нейтрино и антинейтрино.
«Многие предыдущие исследования астрофизических нейтрино высоких энергий основывались на детекторах большого объема, использующих воду или лед (таких как Super-Kamiokande и IceCube)», — сказал Мурасе. «Эта работа демонстрирует, что большие детекторы частиц в экспериментах на коллайдерах, такие как ATLAS и CMS, которые имеют гораздо лучшее энергетическое и угловое разрешение и возможности идентификации частиц, служат уникальными астрофизическими детекторами нейтрино. Это мощный метод, дополняющий традиционный подход».
В этой недавней статье подчеркивается потенциал коллайдерных детекторов ATLAS и CMS для обнаружения нейтрино высоких энергий, исходящих из галактических сверхновых, в будущем. Таким образом, в будущем это может вдохновить сотрудничество ATLAS и CMS на начало поиска нейтрино высоких энергий галактических сверхновых, что потенциально поможет получить новое представление об этих редких частицах только с ограниченным количеством нейтрино.
«Наша работа добавляет ATLAS и аналогичные эксперименты с большим количеством инструментов в сеть экспериментов по наблюдению за небом в поисках следующих галактических сверхновых», — сказал Карлос Аргуэльес-Дельгадо, другой исследователь, участвовавший в исследовании. «Мне очень интересно думать об ученых, занимающихся широким спектром экспериментальной физики высоких энергий от МэВ до ТэВ, которые изучают это».
Мурасе, Вэнь и их коллеги планируют продолжить изучение этого нового направления исследований. Например, в своих следующих работах они хотели бы сосредоточиться на том, как другие детекторы-коллайдеры могут способствовать наблюдению нейтрино высоких энергий.
«В наших будущих исследованиях может быть интересно рассмотреть перспективы других детекторов-коллайдеров и их последствия для физики за пределами Стандартной модели», — добавил Мурасе.
