物理学家有史以来首次在大型强子对撞机上检测到中微子迹象

由美加州大学欧文分校的物理学家领导的国际Forward Search Experiment团队首次实现了对瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心设施的大型强子对撞机产生的中微子候选人的探测。

在2021年11月24日发表在《Physical Review D》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了他们如何在2018年安装在大型强子对撞机上的一个紧凑型乳化液探测器的试运行期间观察到六个中微子的相互作用。

“在这个项目之前，从来没有在粒子对撞机上看到过中微子的迹象，”论文共同作者、UCI物理学和天文学特聘教授、FASER合作项目的共同负责人Jonathan Feng说道，“这一重大突破是朝着更深入地了解这些难以捉摸的粒子及其在宇宙中的作用迈出的一步。”

Feng表示，试验期间的发现给了他的团队两个关键的信息。

FASER粒子检测器

“首先，它验证了LHC的ATLAS交互点前方的位置是探测对撞机中微子的正确位置，”Feng说道，“其次，我们的努力证明了使用乳化液探测器来观察这些类型的中微子相互作用的有效性。”

试验仪器是由铅和钨板与乳剂层交替组成的。在大型强子对撞机的粒子对撞过程中，产生的一些中微子会砸入致密金属中的原子核、产生的粒子会穿过乳剂层并在处理后产生可见的痕迹。这些刻痕提供了关于粒子能量、它们的种类--陶氏、μ子或电子--以及它们是中微子还是反中微子的线索。

据Feng介绍称，乳剂的运作方式类似于前数码相机时代的摄影。当35毫米胶片被暴露在光线下时光子会留下痕迹，当胶片被冲洗时这些痕迹会显示为图案。FASER的研究人员同样能在移除和冲洗探测器的乳剂层之后看到中微子的相互作用。

Feng说道：“在验证了乳剂探测器方法对于观察粒子对撞机产生的中微子的相互作用的有效性之后，FASER团队现在正准备用一个更大、更灵敏的完整仪器进行一系列新的实验。”

自2019年以来，Feng及其同事们一直在准备利用FASER仪器进行一项实验以调查LHC的暗物质。他们希望能探测到暗光子，这将使研究人员首次看到暗物质如何通过非引力跟正常原子和宇宙中的其他物质相互作用。

随着他们在过去几年里中微子工作的成功，FASER团队--由来自9个国家21个机构的76名物理学家组成--正在将一个新乳剂探测器跟FASER仪器相结合。试验探测器重约64磅，而FASERnu仪器将超过2400磅，并且它的反应性更强切能够区分中微子的种类。

FASER项目的共同负责人、UCI物理学和天文学副教授David Casper表示：“鉴于我们新探测器的威力和它在欧洲核子研究中心的主要位置，我们预计在2022年开始的大型强子对撞机的下一次运行中能记录超过10,000次中微子相互作用。我们将探测到有史以来由人类产生的最高能量的中微子。”

Casper指出，FASERnu的独特之处在于，虽然其他实验能区分一种或两种中微子，但它将能观察到所有三种口味的中微子以及它们的反中微子对应物。Casper表示，在整个人类历史上只有约10次对陶氏中微子的观测，但他预计他的团队将能在未来三年内将这一数字提高一倍或两倍。

“这对UCI物理系的传统来说是一个非常好的配合，因为它是在继承Frederick Reines的遗产，他是UCI的创始教师，因第一个发现中微子而获得诺贝尔物理学奖，”Feng说道。

“我们在世界首要的粒子物理实验室用创纪录的时间和非常非传统的来源制作了一个世界级的实验。我们对Heising-Simons基金会和Simons基金会以及日本科学促进会和欧洲核子研究中心的慷慨支持表示极大的感谢，”Casper最后说道。