FASER (Detektor)

Der FASER (Akronym für ForwArd Search ExpeRiment) ist einer der acht Detektoren am Large Hadron Collider des CERN. Der FASER-Detektor soll sowohl nach hypothetischen Elementarteilchen suchen sowie Neutrinos detektieren und deren Wechselwirkungsrate messen. Im März 2023 hat FASER die erste Beobachtung von Neutrinos am LHC verkündet.

Large Hadron Collider (LHC) Anordnung der verschiedenen Beschleuniger und Detektoren des LHC
Detektoren
ATLAS CMS LHCb ALICE	LHCf TOTEM FASER  Teilweise aufgebaut: MoEDAL
Vorbeschleuniger
Linearbeschleuniger für Protonen (p) bzw. Bleikerne (Pb) Proton Synchrotron Booster (PSB) Proton Synchrotron (PS) Super Proton Synchrotron (SPS)

Das Experiment befindet sich im Seitentunnel TI12, 480 Meter vom Kollisionspunkt des ATLAS-Experiments entfernt. Dieser Tunnel wurde früher verwendet, um den Elektronenstrahl des SPSs in den LEP-Beschleuniger zu injizieren und beherbergt derzeit keine LHC-Infrastruktur. Der Tunnel TI12 befindet sich in einem stark kollimierten und intensiven Strahl aus sowohl hochenergetischen Neutrinos als auch aus möglichen neuen Teilchen. Zusätzlich ist dieser Tunnel einer nur geringen Hintergrundstrahlung ausgesetzt, da er durch etwa 100 Meter Fels und Beton vom Kollisionspunkt in ATLAS abgeschirmt ist. Das FASER-Experiment wurde 2019 genehmigt. Die Installation des Detektors wurde 2021 abgeschlossen. Das Experiment begann mit der Datenerfassung zu Beginn von "Run 3" des LHC im Sommer 2022.

Suche nach neuen Teilchen

Das Hauptziel des FASER-Experiments ist die Suche nach hypothetischen, bisher noch nicht entdeckten, leichten und schwach wechselwirkenden Elementarteilchen, wie zum Beispiel dunklen Photonen, axionähnlichen Teilchen und sterilen Neutrinos. Wenn diese Teilchen leicht genug sind, können sie in seltenen Zerfällen von Hadronen erzeugt werden. Solche Teilchen werden daher vorwiegend in der Vorwärtsrichtung entlang der Kollisionsachse der Protonenstrahlen erzeugt. Sie bilden einen stark kollimierten Strahl und können einen großen Teil der LHC-Protonenstrahlenergie aufnehmen. Darüber hinaus sind diese Teilchen aufgrund ihrer schwachen Kopplung an die Teilchen des Standardmodells sowie ihrer hohen Geschwindigkeit sehr langlebig. Sie können sich daher problemlos durch mehrere hundert Meter Materie bewegen ohne damit zu wechselwirken, bevor sie in bekannte Teilchen des Standardmodells zerfallen. Diese Zerfälle führen zu einem klar identifizierbaren Signal, dem Auftreten von sehr hochenergetischer Teilchen im Tunnel TI12, die FASER detektieren kann.

Im März 2023 berichtete die FASER-Kollaboration über ihre ersten Ergebnisse zur Suche nach dunklen Photonen. In ihren Daten von 2022 wurde kein Signal gefunden, das mit einem dunklen Photon vereinbar war, und es wurden Ausschlussgrenzen für den zuvor unbeschränkten Parameterraum gesetzt.

Neutrino-Messungen

Der LHC ist der leistungsstärkste und hochenergetischste Teilchenbeschleuniger der Welt und somit auch Quelle der energiereichsten Neutrinos die in einer Laborumgebung erzeugt werden. Kollisionen am LHC führen zu einer großen Anzahl energiereicher Neutrinos aller Generationen, die entlang der Kollisionsachse und somit durch den FASER-Detektor strömen. Der spezielle Subdetektor FASERν dient zum Nachweis dieser Neutrinos und soll tausende von Neutrino-Wechselwirkungen aufzeichnen und untersuchen. Dies ermöglicht, die Wechselwirkungsraten von Neutrinos mit Energien im Teraelektronenvolt-Bereich zu messen.

Im Jahr 2021 gab die FASER Kollaboration die Beobachtung der ersten Neutrino Kandidaten am LHC bekannt. Die für diese Entdeckung verwendeten Daten wurden von einem kleinen Emulsions-Pilotdetektor mit einer Masse von 11 kg gesammelt. Der Detektor wurde im Servicetunnel TI18 platziert und die Daten wurden nur vier Wochen lang während LHC Run 2 im Jahr 2018 gesammelt. Obwohl dieses Ergebnis keine Entdeckung von Neutrinos am LHC ist, unterstreicht es das Potenzial und die Machbarkeit der Durchführung spezieller Neutrino-Experimente am LHC.

Im März 2023 verkündete die FASER-Kollaboration dann die erste zweifelsfreie Beobachtung von Neutrinos am LHC. Dazu suchten sie nach Ereignissen, bei denen eine Teilchenspur mit hohem Impuls aus dem zentralen Teil des FASERv-Detektorvolumens und keine Aktivität in den am weitesten stromaufwärts gelegenen Vetoschichten auftaucht, wie es von einer Myon-Neutrino-Wechselwirkung erwartet wird. Diese Suche wurde nur unter Verwendung der elektronischen Detektorkomponenten durchgeführt.

Detektor

Aufbau des FASER Experiments

Am vorderen Ende von FASER befindet sich der Neutrinodetektor FASERν. Dieser besteht aus Schichten von Emulsionsfilmen, die mit Wolframplatten als Kollisionsmaterial für Neutrino-Wechselwirkungen verschachtelt sind. Hinter FASERν und am Eingang zum Hauptdetektor befindet sich ein Veto für geladene Teilchen, welches aus Kunststoff-Szintillatoren besteht. Darauf folgen ein 1,5 Meter langes leeres Zerfallsvolumen sowie ein 2 Meter langes Spektrometer, die sich in einem 0,55 Tesla starken Magnetfeld befinden. Das Spektrometer besteht aus drei Stationen von Präzisions-Silizium-Streifendetektoren, welche geladene Partikel detektieren, die beim Zerfall langlebiger Elementarteilchen entstehen. Am Ende befindet sich ein elektromagnetisches Kalorimeter.

Weblinks

• Offizielle FASER Website (englisch)

Einzelnachweise

1. Erstmals Neutrinos aus einem Teilchenbeschleuniger beobachtet. Abgerufen am 20. März 2023. 
2. Neutrinos erstmals in Teilchenbeschleuniger nachgewiesen. Abgerufen am 20. März 2023. 
3. Erstmals Neutrinos in Teilchenbeschleuniger nachgewiesen. Abgerufen am 20. März 2023 (österreichisches Deutsch). 
4. FASER: CERN approves new experiment to look for long-lived, exotic particles. Abgerufen am 1. Januar 2020 (englisch). 
5. Teilchenphysik: CERN bewilligt neuen LHC-Detektor. Abgerufen am 5. Januar 2020. 
6. FASER’s new detector expected to catch first collider neutrino. Abgerufen am 1. Januar 2020 (englisch). 
7. FASER Detector Installation. Abgerufen am 20. März 2023 (englisch). 
8. Daniel Garisto: Large Hadron Collider Seeks New Particles after Major Upgrade. Abgerufen am 20. März 2023 (englisch). 
9. University of Liverpool: Large Hadron Collider takes first data in record-breaking run. Abgerufen am 20. März 2023 (englisch). 
10. LHC Run 3: physics at record energy starts tomorrow. Abgerufen am 20. März 2023 (englisch). 
11. Jonathan L. Feng, Iftah Galon, Felix Kling, Sebastian Trojanowski: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC. In: Physical Review D. Band 97, Nr. 3, 5. Februar 2018, S. 035001, doi:10.1103/PhysRevD.97.035001, arxiv:1708.09389 (englisch, arxiv.org [PDF; abgerufen am 1. Januar 2020]). 
12. Ariga et al. (FASER collaboration): FASER’s physics reach for long-lived particles. In: Physical Review D. Band 99, Nr. 9, 15. Mai 2019, ISSN 2470-0010, S. 095011, doi:10.1103/PhysRevD.99.095011, arxiv:1811.12522 (englisch, arxiv.org [PDF; abgerufen am 1. Januar 2020]). 
13. Abreu et al. (FASER Collaboration): Detecting and Studying High-Energy Collider Neutrinos with FASER at the LHC. 6. August 2019, arxiv:1908.02310 (englisch, arxiv.org [PDF; abgerufen am 1. Januar 2020]). 
14. FASER Collaboration, Henso Abreu, Yoav Afik, Claire Antel, Jason Arakawa, Akitaka Ariga, Tomoko Ariga, Florian Bernlochner, Tobias Boeckh, Jamie Boyd, Lydia Brenner, Franck Cadoux, David W. Casper, Charlotte Cavanagh, Francesco Cerutti, Xin Chen, Andrea Coccaro, Monica D’Onofrio, Candan Dozen, Yannick Favre, Deion Fellers, Jonathan L. Feng, Didier Ferrere, Stephen Gibson, Sergio Gonzalez-Sevilla, Carl Gwilliam, Shih-Chieh Hsu, Zhen Hu, Giuseppe Iacobucci, Tomohiro Inada, Ahmed Ismail, Sune Jakobsen, Enrique Kajomovitz, Felix Kling, Umut Kose, Susanne Kuehn, Helena Lefebvre, Lorne Levinson, Ke Li, Jinfeng Liu, Chiara Magliocca, Josh McFayden, Sam Meehan, Dimitar Mladenov, Mitsuhiro Nakamura, Toshiyuki Nakano, Marzio Nessi, Friedemann Neuhaus, Laurie Nevay, Hidetoshi Otono, Carlo Pandini, Hao Pang, Lorenzo Paolozzi, Brian Petersen, Francesco Pietropaolo, Markus Prim, Michaela Queitsch-Maitland, Filippo Resnati, Hiroki Rokujo, Marta Sabaté-Gilarte, Jakob Salfeld-Nebgen, Osamu Sato, Paola Scampoli, Kristof Schmieden, Matthias Schott, Anna Sfyrla, Savannah Shively, John Spencer, Yosuke Takubo, Ondrej Theiner, Eric Torrence, Sebastian Trojanowski, Serhan Tufanli, Benedikt Vormwald, Di Wang, Gang Zhang: First neutrino interaction candidates at the LHC. In: Physical Review D. Band 104, Nr. 9, 24. November 2021, S. L091101, doi:10.1103/PhysRevD.104.L091101 (aps.org [abgerufen am 20. März 2023]). 
15. Alte Idee, neuer Detektor: CERN kann erstmals Neutrinos nachweisen. 29. November 2021, abgerufen am 20. März 2023. 
16. DESY News: Forschungsteam entdeckt die ersten Neutrinos aus einem Teilchencollider. Abgerufen am 21. März 2023. 
17. FASER Collaboration, Henso Abreu, Marco Andreini, Claire Antel, Akitaka Ariga, Tomoko Ariga, Caterina Bertone, Jamie Boyd, Andy Buckley, Franck Cadoux, David W. Casper, Francesco Cerutti, Xin Chen, Andrea Coccaro, Salvatore Danzeca, Liam Dougherty, Candan Dozen, Peter B. Denton, Yannick Favre, Deion Fellers, Jonathan L. Feng, Didier Ferrere, Jonathan Gall, Iftah Galon, Stephen Gibson, Sergio Gonzalez-Sevilla, Shih-Chieh Hsu, Zhen Hu, Giuseppe Iacobucci, Sune Jakobsen, Roland Jansky, Enrique Kajomovitz, Felix Kling, Umut Kose, Susanne Kuehn, Mike Lamont, Helena Lefebvre, Lorne Levinson, Ke Li, Josh McFayden, Sam Meehan, Dimitar Mladenov, Mitsuhiro Nakamura, Toshiyuki Nakano, Marzio Nessi, Friedemann Neuhaus, John Osborne, Hidetoshi Otono, Serge Pelletier, Brian Petersen, Francesco Pietropaolo, Michaela Queitsch-Maitland, Filippo Resnati, Marta Sabate-Gilarte, Jakob Salfeld-Nebgen, Francisco Sanchez Galan, Pablo Santos Diaz, Osamu Sato, Paola Scampoli, Kristof Schmieden, Matthias Schott, Holger Schulz, Anna Sfyrla, Savannah Shively, Jordan Smolinsky, Aaron M. Soffa, Yosuke Takubo, Eric Torrence, Sebastian Trojanowski, Serhan Tufanli, Dengfeng Zhang, Gang Zhang: Technical Proposal: FASERnu. In: arXiv:2001.03073 [hep-ex, physics:hep-ph, physics:physics]. 9. Januar 2020 (arXiv=2001.03073 [abgerufen am 20. März 2023]). 
18. Ariga et al. (FASER Collaboration): Letter of Intent for FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC. 26. November 2018, arxiv:1811.10243 (englisch, arxiv.org [PDF; abgerufen am 1. Januar 2020]). 
19. Ariga et al. (FASER Collaboration): Technical Proposal for FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC. 21. Dezember 2018, arxiv:1812.09139 (englisch, arxiv.org [PDF; abgerufen am 1. Januar 2020]). 

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