FASER (Detektor)

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.^[11][12] 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.

Die FASER-Kollaboration hat mehrere Suchen nach neuen Elementarteilchen durchgeführt:

• Im März 2023 berichtete die FASER-Kollaboration über ihre ersten Ergebnisse zur Suche nach dunklen Photonen, die in ein hochenergetisches Elektronen-Positronen-Paar zerfallen. In ihren Daten von 2022 wurde kein Signal gefunden, das mit einem dunklen Photon vereinbar wäre, und es wurden Ausschlussgrenzen für den zuvor unbeschränkten Parameterraum gesetzt.^[13][14]
• Im März 2024 veröffentlichte FASER ersten Ergebnisse zur Suche nach axionartigen Teilchen, die in ein hochenergetisches Photonen zerfallen. In ihren 2022/2023 gesammelten Daten wurde kein Signal gefunden, die mit solchen Teilchen vereinbar wären, und es wurden Grenzen für den zuvor unbeschränkten Parameterraum festgelegt.^[15]

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.

Im Jahr 2021 gab die FASER Kollaboration die Beobachtung der ersten Neutrino Kandidaten am LHC bekannt.^[16][17][18] 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.^[1][2][3] 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.^[19] Diese Suche wurde nur unter Verwendung der elektronischen Detektorkomponenten durchgeführt.

Um diese Neutrino-Wechselwirkungen genauer zu untersuchen, verfügt FASER über den speziellen Subdetektor FASERv (ausgesprochen FASER-nu). Dieser Detektor besteht aus über 700 fotografischen Emulsionsfilmen, zwischen denen 1 mm dicke Wolframplatten platziert sind. Der Detektor hat eine Masse von etwa 1,1 Tonnen und kann die in Neutrino-Wechselwirkungen entstehenden Teilchen mit einer Auflösung im Submikrometerbereich beobachten. Damit liefert es sehr hochauflösende Bilder von Neutrino Wechselwirkungen. Während seiner geplanten Laufzeit von 2022 bis mindestens 2026 werden voraussichtlich 10.000 Neutrinos von FASERv registriert. Diese Neutrinos weisen typischerweise Energies im Teraelektronenvolt-Bereich auf, wodurch FASER ihre Wechselweirkungen in einem Bereich untersuchen kann, in dem sie bisher noch nicht erforscht wurden.

Die FASER-Kollaboration hat mehrere Neutrinomessungen durchgeführt:

• Im März 2023 wurde die erste Beobachtung von Myon Neutrinos und Myon Antineutrinos am LHC mit den elektronischen Detektorkomponenten von FASER gemeldet.^[20]
• Im März 2024 wurde die erste Beobachtung von Elektron Neutrinos am LHC sowie die erste Messung des Wirkungsquerschnitts für Elektron und Myon Neutrinos im TeV-Energiebereich gemeldet. Diese Messung wurde mit dem FASERv Emulsionsdetektor durchgeführt.^[21][22][23]
• Im Dezember 2024 wurde die erste Messung des Energiespektrums von LHC-Neutrinos mit den elektronischen Detektorkomponenten von FASER durchgeführt.^[24]

Das Neutrinoprogramm von FASER ermöglicht die Erforschung folgender physikalischer Bereiche:^[25]

• FASER misst die Wirkungsquerschnitte der Neutrino-Kern-Wechselwirkung für alle drei Neutrino-Generationen im TeV Energiebereich. Durch die Identifizierung des Neutrino-Flavors kann die Leptonen-Universalität bei der Neutrinostreuung überprüft werden.

• FASER wird die höchste Anzahl an Tau-Neutrino-Wechselwirkungen beobachten, und somit diese schwer fassbaren Teilchen detaillierter untersuchen können.
• FASER wird hochpräzise Messungen von Myon-Neutrino-Wechselwirkung mit Kernen in einem bisher unerforschten Energiebereich durchführen. Diese Messungen ermöglichen es, die Struktur des Protons zu untersuchen und Partonenverteilungsfunktionen genauer zu bestimmen.
• Die Neutrinos, die FASER erreichen, entstehen hauptsächlich beim Zerfall von Pionen, Kaonen und Charm-Hadronen. Die Messung der Neutrinoflüsse ermöglicht es daher, die Produktion dieser Teilchen in einem kinematischen Bereich einzugrenzen, der für die anderen LHC-Experimente nicht zugänglich ist. Dies liefert wichtige neue Erkenntnisse für Experimente der Astroteilchenphysik.

Der FASER Detektor^[26] befindet sich im Servicetunnel TI12, etwa 480 Meter östlich des ATLAS Experiments. An dieser Stelle wurde eine Vertiefung aus dem Beton ausgehoben, um den Detektor präzise auf die Strahlachse auszurichten und den Neutrinofluss zu maximieren. Der Detektor deckt den Pseudorapiditätsbereich η > 8,5 ab.

Am vorderen Ende von FASER befindet sich der Neutrinodetektor FASERν. Dieser besteht aus 770 Schichten von Emulsionsfilmen, die mit Wolframplatten als Kollisionsmaterial für Neutrino-Wechselwirkungen verschachtelt sind.^[27] Dieser Anordnung ermöglicht es, Spuren geladener Teilchen und Elektromagnetischer Kaskaden, die in Neutrinowechselwirkungen entstehen, zu beobachten; ihre Impulse und Energies zu messen; sowie Zerfälle von kurzlebigen Charm-Hadronen und Tau-Leptonen zu identifizieren. Dies ermöglicht somit eine präzise Rekonstruktion von Neutrinowechselwirkungen. Vor FASERv detektiert ein Frontveto aus zwei Kunststoff-Szintillatoren einfallende geladene Teilchen. Ein am Ende von FASERv platzierter Schnittstellentracker verbindet den Emulsionsdetektor mit den Elektronischen Komponenten des FASER Hauptdetektors.

Hinter FASERν und am Eingang zum Hauptdetektor befindet sich ein weiteres, aus Kunststoff-Szintillatoren bestehendes, Veto für geladene Teilchen^[28][29]. Darauf folgen ein 1,5 Meter langes leeres Zerfallsvolumen sowie ein 2 Meter langes Spektrometer, die sich in einem 0,57 Tesla starken Magnetfeld befinden. Das Spektrometer besteht aus drei Stationen von Präzisions-Silizium-Streifendetektoren, welche geladene Partikel detektieren, die beim Zerfall langlebiger Elementarteilchen entstehen. Weiter hinten ermöglicht in Vorschauerdetektor die Teilchenidentifizierung. Am Ende befindet sich ein elektromagnetisches Kalorimeter, bestehend aus vier Ersatzmodulen des LHCb-Experiments, welches die Energie elektromagnetischer Schauer misst.

Im Januar 2025 wurde ein neues, hochauflösendes Vorschauersystem installiert.^[30] Dieses ermöglicht die Unterscheidung zwei sehr eng beieinander liegender, hochenergetischer Photonen, wie sie zum Beispiel durch den Zerfall axionartiger Teilchen zu erwarten sind. Zusätzlich wurde am Ende des Detektors ein Myon-Identifizierungssystem installiert. Beide Verbesserungen erhöhen die Möglichkeiten zur Suche nach neuen Elementarteilchen.

Der Standort von FASER wurde auch für das Testen von Prototypen zukünftiger Detektoren genutzt. 2024 wurde der FORMOSA-Demonstrator hinter FASER installiert.^[31] Dieser Detektor ist ähnlich wie das MilliQan-Experiment am LHC aufgebaut um besteht aus einer Anordnungen hochempfindlicher Kunststoffszintillatoren. Wie MilliQan sucht FORMOA nach Teilchen mit Milliladungen, also Ladungen die deutlich kleiner sind als die eines Elektrons. Der Demonstrator soll die Machbarkeit des vollständige Experiments beweisen, das in der geplanten Forward Physics Facility, einer unterirdischen Halle etwa 620 Meter vom ATLAS entfernt, installiert werden soll.^[32] Der FORMOSA-Demonstrator sammelte Daten in den Jahren 2024 und 2025.

Im Januar 2026 wurde der FORMOSA-Demonstrator entfernt und durch zwei neue Prototyp-Detektoren ersetzt, die hinter FASER installiert wurden. Einer davon, FASERCal, verwendet ein dreidimensionales Gitter aus Kunststoff-Szintillatorwürfeln, die über optische Fasern ausgelesen werden, ähnlich dem Super Fine-Grained Detector (SuperFGD) des T2K-Experiments. Der zweite Detektor ist das analoge Hadronkalorimeter (AHCAL). Der eingesetzte Prototyp wurde ursprünglich für Teststrahlmessungen gebaut, die in den Jahren 2022–2023 zur Vorbereitung des geplanten Circular Electron–Positron Collider (CEPC) durchgeführt wurden. Er besteht aus 40 abwechselnden Lagen von Stahlabsorberplatten und Szintillatorkacheln, die mit Silizium-Photomultipliern gekoppelt sind. Dieses schichtweise aufgebaute Design ermöglicht eine hohe räumliche Auflösung und eine detaillierte Abbildung hadronischer Teilchenschauer und eignet sich daher auch gut für die Neutrinodetektion.

• Offizielle FASER Website (englisch)