Experimento FASER

FASER ( ForwArd Search ExpeRiment ) es uno de los nueve experimentos de física de partículas que se realizarán en 2022 en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN . Está diseñado tanto para buscar nuevas partículas elementales ligeras y débilmente acopladas como para detectar y estudiar las interacciones de los neutrinos de alta energía del colisionador . ^[1] En 2023, FASER y SND@LHC informaron sobre la primera observación de neutrinos del colisionador. ^[2]

El experimento está instalado en el túnel de servicio TI12, que se encuentra a 480 m aguas abajo del punto de interacción utilizado por el experimento ATLAS . ^[3] Este túnel se utilizaba anteriormente para inyectar el haz del SPS en el acelerador LEP . En esta ubicación, el experimento FASER se coloca en un haz intenso y altamente colimado tanto de neutrinos como de posibles nuevas partículas. Además, está protegido del ATLAS por unos 100 metros de roca y hormigón, lo que proporciona un entorno de bajo fondo. El experimento FASER fue aprobado en 2019. ^{[4] [5]} El detector se construyó en los dos años siguientes y se instaló en 2021. ^[6] El experimento comenzó a tomar datos al comienzo de la Ejecución 3 del LHC en el verano de 2022. ^{[7] [8] [9]}

El objetivo principal del experimento FASER es buscar nuevas partículas ligeras y de interacción débil, que aún no se han descubierto, como fotones oscuros , partículas similares a axiones y neutrinos estériles . ^{[10] [11]} Si estas partículas son suficientemente ligeras, pueden producirse en desintegraciones raras de hadrones . Por lo tanto, dichas partículas se producirán predominantemente en la dirección hacia adelante a lo largo del eje de colisión, formando un haz altamente colimado, y pueden heredar una gran fracción de la energía del haz de protones del LHC. Además, debido a sus pequeños acoplamientos a las partículas del modelo estándar y grandes impulsos, estas partículas tienen una larga vida y pueden viajar fácilmente cientos de metros sin interactuar antes de desintegrarse en partículas del modelo estándar. Estas desintegraciones conducen a una señal espectacular, la aparición de partículas altamente energéticas, que FASER pretende detectar.

En marzo de 2023, la Colaboración FASER informó de sus primeros resultados sobre la búsqueda de fotones oscuros. En sus datos de 2022 no se observó ninguna señal compatible con un fotón oscuro y se establecieron límites a un espacio de parámetros que no estaba restringido hasta entonces.

El LHC es el colisionador de partículas de mayor energía construido hasta ahora y, por lo tanto, también la fuente de los neutrinos más energéticos creados en un entorno de laboratorio controlado. De hecho, las colisiones en el LHC dan lugar a un gran flujo de neutrinos de alta energía de todo tipo , que están altamente colimados alrededor del eje de colisión del haz y pasan por la ubicación del FASER.

En 2021, la Colaboración FASER anunció la primera detección de candidatos a neutrinos de colisionador. ^{[12] [13] [14] [15] [16]} Los datos utilizados para este descubrimiento fueron recopilados por un pequeño detector piloto de emulsión con una masa objetivo de 11 kg. El detector se colocó en el túnel de servicio TI18 y los datos se recopilaron solo durante cuatro semanas durante la segunda ejecución del LHC en 2018. Si bien este resultado no llegó a ser un descubrimiento de neutrinos de colisionador, destacó el potencial y la viabilidad de realizar experimentos dedicados a neutrinos en el LHC.

En 2023, la Colaboración FASER anunció ^{[17] [18] [19]} y publicó ^[2] la primera observación de neutrinos en un colisionador. Para ello, buscaron eventos en los que surgiera una trayectoria de alto momento desde la parte central del volumen del detector FASERv y no hubiera actividad en las capas de veto más ascendentes, como se esperaba de una interacción de neutrinos muónicos. Esta búsqueda se realizó utilizando solo los componentes electrónicos del detector.

Para estudiar estas interacciones de neutrinos con mayor detalle, FASER también contiene el subdetector dedicado FASERv (que se pronuncia FASERnu). ^{[20] [21]} Durante su tiempo de ejecución nominal de unos pocos años, se espera que FASERν registre alrededor de 10 000 neutrinos. ^[22] Estos neutrinos suelen tener energías de escala TeV, lo que permite a FASERv estudiar sus interacciones en un régimen en el que actualmente no están restringidos.

FASERnu será capaz de explorar los siguientes dominios de la física:

1. FASERv medirá las secciones eficaces de interacción neutrino-núcleo para los tres sabores de neutrinos en la escala de energía de TeV. Con la capacidad de identificar el sabor de los neutrinos, permitirá probar la universalidad del sabor de los leptones en la dispersión de neutrinos.
2. FASERv podrá ver el mayor número de interacciones de neutrinos tau, lo que permitirá estudiar esta esquiva partícula con mayor detalle.
3. FASERv realizará mediciones muy precisas de interacciones entre neutrinos y muones a una escala de energía nunca antes explorada. Estas mediciones permitirán investigar la estructura del protón y limitar las funciones de distribución de los partones .
4. Los neutrinos en FASERv se producen principalmente en la desintegración de piones, kaones y hadrones encantados. La medición de los flujos de neutrinos permite, por tanto, limitar la producción de estas partículas en un régimen cinemático al que no tienen acceso otros experimentos del LHC. Esto proporcionará nuevos datos clave para los experimentos de física de astropartículas.

En el extremo frontal de FASER se encuentra el detector de neutrinos FASERν. Consiste en muchas capas de películas de emulsión intercaladas con placas de tungsteno como material objetivo para las interacciones de neutrinos. Detrás de FASERν y en la entrada del detector principal hay un veto de partículas cargadas que consiste en centelleadores de plástico . ^{[23] [24]} A esto le sigue un volumen de desintegración vacío de 1,5 metros de largo y un espectrómetro de 2 metros de largo , que se colocan en un campo magnético de 0,55 T. El espectrómetro consta de tres estaciones de seguimiento, compuestas por capas de detectores de tiras de silicio de precisión , para detectar partículas cargadas producidas en la desintegración de partículas de larga duración. Ubicado en el extremo hay un calorímetro electromagnético .

• Sitio web oficial de FASER
• Registro del experimento FASER en INSPIRE-HEP

46°14′09″N 6°03′18″E / 46.23583, -6.05500