Un autre objectif de l'expérience est d'étudier les interactions des neutrinos de haute énergie produits lors des collisions du LHC, des particules presque impossibles à détecter dans les quatre grandes expériences du LHC. La semaine dernière, lors de la conférence annuelle des Rencontres de Moriond, la collaboration FASER a présenté une mesure de la force d'interaction, ou « section efficace », des neutrinos électroniques (ν_e ) et les neutrinos muoniques (ν_μ ).

C'est la première fois qu'une telle mesure est effectuée dans un collisionneur de particules. Des mesures de ce type peuvent fournir des informations importantes sur différents aspects de la physique, depuis la compréhension de la production de particules « directes » dans les collisions du LHC et l'amélioration de notre compréhension de la structure du proton jusqu'à l'interprétation des mesures de neutrinos de haute énergie provenant de sources astrophysiques effectuées par Expériences au télescope à neutrinos.

FASER est situé dans un tunnel latéral de l'accélérateur LHC, à 480 mètres du point de collision du détecteur ATLAS. À cet endroit, le faisceau du LHC est déjà à près de 10 mètres, s’éloignant sur sa trajectoire circulaire de 27 kilomètres. Il s'agit d'un emplacement unique pour étudier les particules à faible interaction produites lors des collisions du LHC.

Les particules chargées produites lors des collisions sont déviées par les aimants du LHC. La plupart des particules neutres sont arrêtées par les centaines de mètres de roche entre FASER et ATLAS. Seules les particules neutres interagissant très faiblement, comme les neutrinos, devraient continuer tout droit et atteindre l'emplacement où le détecteur est installé.

La probabilité qu’un neutrino interagisse avec la matière est très faible, mais pas nulle. Le type d’interaction auquel FASER est sensible est celui où un neutrino interagit avec un proton ou un neutron à l’intérieur du détecteur. Dans cette interaction, le neutrino se transforme en un « lepton » chargé de la même famille – un électron dans le cas d'un ν_e , et un muon dans le cas d'un ν_μ -qui est visible dans le détecteur. Si l'énergie du neutrino est élevée, plusieurs autres particules sont également produites lors de la collision.

Le détecteur utilisé pour effectuer la mesure est constitué de 730 plaques de tungstène entrelacées et de plaques d'émulsion photographique. L'émulsion a été exposée entre le 26 juillet et le 13 septembre 2022, puis développée chimiquement et analysée à la recherche de traces de particules chargées.

Les candidats aux interactions neutrinos ont été identifiés en recherchant des groupes de traces pouvant être retracées jusqu'à un seul sommet. L'une de ces traces a ensuite dû être identifiée comme étant un électron ou un muon de haute énergie.

Au total, quatre candidats à un ν_e interaction et huit candidats pour un ν_μ des interactions ont été trouvées. Les quatre ν_e les candidats représentent la première observation directe de neutrinos électroniques produits dans un collisionneur. Les observations peuvent être interprétées comme des mesures des sections efficaces d'interaction des neutrinos, donnant (1,2 ^+0,9 _−0,8 ) ×10 ⁻³⁸ cm ² GeV ⁻¹ dans le cas du ν_e et (0,5 ± 0,2) × 10 ⁻³⁸ cm ² GeV ⁻¹ dans le cas du ν_μ .

Les énergies des neutrinos se situent entre 500 et 1 700 GeV. Aucune mesure de la section efficace d'interaction des neutrinos n'avait été effectuée auparavant à des énergies supérieures à 300 GeV dans le cas du ν_e et entre 400 GeV et 6 TeV dans le cas du ν_μ .

Les résultats obtenus par FASER, postés sur le arXiv serveur de préimpression, sont conformes aux attentes et démontrent la capacité du FASER à effectuer des mesures de section efficace des neutrinos au LHC. Avec les données complètes de l'exploitation 3 du LHC, 200 fois plus d'événements de neutrinos seront détectés, permettant des mesures beaucoup plus précises.