FASER (Detektor)
Large Hadron Collider (LHC)
 Anordnung der verschiedenen Beschleuniger und Detektoren des LHC
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Der FASER (Akronym für ForwArd Search ExpeRiment) ist einer der acht Detektoren am Large Hadron Collider des CERN. Der FASER-Detektor soll nach hypothetischen, leichten, schwach wechselwirkenden Elementarteilchen suchen und die Wechselwirkungsrate energiereicher Neutrinos messen.
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 im TI12 nur eine geringe Hintergrundstrahlung wirksam, da er durch etwa 100 Meter Fels und Beton vom Kollisionspunkt in ATLAS abgeschirmt ist. Das FASER-Experiment wurde 2019 genehmigt und soll ab 2021 mit der Datenerfassung beginnen.[1][2][3]
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.[4][5] 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.
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.[6] Dies ermöglicht, die Wechselwirkungsraten von Neutrinos mit Energien im Teraelektronenvolt-Bereich zu messen.
Detektor
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[7][8]. 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
- ↑ FASER: CERN approves new experiment to look for long-lived, exotic particles. Abgerufen am 1. Januar 2020 (englisch).
- ↑ Teilchenphysik: CERN bewilligt neuen LHC-Detektor. Abgerufen am 5. Januar 2020.
- ↑ FASER’s new detector expected to catch first collider neutrino. Abgerufen am 1. Januar 2020 (englisch).
- ↑ 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]).
- ↑ 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]).
- ↑ 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]).
- ↑ 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]).
- ↑ 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]).
