Een nieuwe detector van de deeltjesversneller LHC in Geneve, FASER genaamd, heeft maar liefst zes neutrino’s ontdekt. Het is voor het eerst dat deze spookachtige deeltjes gedetecteerd zijn bij de versneller.
De superlichte, ongeladen spookdeeltjes zijn geen zeldzaamheid bij de LHC. Bij elke deeltjesbotsing worden talloze neutrino’s geproduceerd. Maar omdat ze nauwelijks interacties aangaan met andere materie, vliegen ze ongehinderd en zonder opgemerkt te worden door de enorme LHC-detectoren. De nieuwe FASER-detector, waarvan het prototype in 2018 getest is, moet daar verandering in brengen.
Neutrino’s ontstaan onder meer bij kernreacties in de zon. Ook komen ze vrij bij natuurlijk radioactief verval, bij krachtige sterexplosies, en dus in deeltjesversnellers. De deeltjes die in de LHC vormen, behoren tot de meest energierijke die ontstaan door processen op aarde. Door deze energieke spookdeeltjes te detecteren met FASER hopen natuurkundigen meer te leren over hun eigenschappen.
‘We weten dat neutrino’s in drie smaken komen: elektron, muon en tau’, mailt Jonathan Feng, hoogleraar aan de University of California en co-leider van het FASER-team. ‘Er zijn wereldwijd slechts een stuk of tien tau-neutrino’s geobserveerd. Wij hopen dit aantal flink te verhogen. Ook kunnen we op een nieuwe manier gaan zoeken naar een mogelijke vierde soort: steriele neutrino’s.’ Dat zijn neutrino’s die nóg minder interactie aangaan met andere deeltjes dan gewone neutrino’s.
Blinde vlek
FASER (ForwArd Search ExpeRiment) zal op 480 meter van de beroemdere ATLAS-detector komen te staan, in het verlengde van de 27 kilometer lange LHC-tunnel. De neutrino’s met de hoogste energieën botsen het gemakkelijkst op deeltjes in een detector en zijn daarom het eenvoudigst te meten, vertelt Feng. ‘Die energierijke deeltjes worden geproduceerd in de richting van de LHC. Dit is de plek waar andere detectoren gaten hebben – om de deeltjesbundels binnen te laten.’ FASER komt precies daar te staan waar deze energierijke neutrino’s uit de ATLAS-detector ontsnappen. ‘Zo nemen we de blinde vlek weg.’
Het prototype van FASER dat onlangs zes neutrino’s zag is vele malen kleiner dan de andere LHC-detectoren. Hoe krijgt deze detector het voor elkaar om toch, als enige, de spookdeeltjes te zien? Hiervoor bestaat het prototype uit platen van wolfraam en lood, afgewisseld met flinterdunne emulsielaagjes. ‘Wolfraam heeft een hoge dichtheid’, zegt Feng. ‘De kans is daarom relatief groot dat de energierijke neutrino’s op een wolfraamatoom botsen.’
Bij zo’n botsing ontstaat er een lawine van geladen deeltjes die vervolgens door de emulsielaag vliegen. ‘Daar worden ze geregistreerd, net zoals een ouderwetse camerafilm beelden vastlegde.’ De details van de deeltjeslawines zijn afhankelijk van de smaak, energie en andere eigenschappen van de neutrino’s. Door de lawine-sporen te analyseren kunnen de natuurkundigen dus achterhalen wat er door hun detector vloog.
Tienduizend neutrino’s
Uit de succesvolle test met het prototype blijkt dat de positie en de meettechniek van FASER ideaal zijn voor het detecteren van de energierijke neutrino’s, zegt Feng. ‘We verwachten dat FASER in 2024 ongeveer tienduizend van deze spookdeeltjes detecteert. Dat opent een nieuw onderzoeksveld van neutrino’s uit deeltjesversnellers.’
Naast neutrino’s zal FASER ook gaan speuren naar deeltjes waarvan het bestaan nog niet zeker is, zoals donkere-materie-kandidaten. Feng: ‘Onze grootste hoop is om iets totaal onverwachts te vinden.’
