国际ICARUS合作项目近期在预印本服务器arXiv上发表论文，公布其在寻找中微子振荡方面的首批物理成果。合作组利用费米实验室中微子束收集的数据，未观测到μ子 - 中微子消失现象。该分析严谨处理探测器性能不确定性，展示了ICARUS数据质量，推动了分析技术和软件工具开发。
ICARUS探测器位于美国能源部费米国家加速器实验室，毗邻芝加哥，是世界上首个大型液氩中微子探测器。它2010年在意大利格兰萨索国家实验室投入运行，2014年被移至欧洲核子研究中心翻新升级，三年后迁至费米实验室，成为短基线中微子(SBN)计划的一部分。
SBN计划由三个沿实验室中微子束分布的实验组成，短基线近探测器(SBND)距中微子源110米，MicroBooNE距470米，ICARUS距600米，这三个实验均研究中微子在穿过空间和物质时的变化。
中微子分为电子中微子、μ子中微子和τ子中微子三种“味”，在传播中会发生中微子振荡现象。为理解这种行为，物理学家设计了基准实验，如SBN计划将粒子探测器放置在中微子束不同距离上。ICARUS正在寻找假定第四种中微子——惰性中微子存在的证据。在“3 + 1”中微子行为模型中，惰性中微子可与已知三种中微子混合并引起振荡，表现为短距离内μ子 - 中微子消失现象。若ICARUS观测到该现象，将为“3 + 1”惰性中微子假说提供证据;未观测到则可对模型参数进行限制。
在本次利用2022年至2023年数据的首次分析中，合作组未在ICARUS探测器中观测到μ子 - 中微子消失证据，但这一结果标志着SBN计划迈出重要一步。合作组证明了ICARUS数据质量卓越且适用于物理分析，验证了相关软件工具的成熟度。
1984年诺贝尔物理学奖得主、ICARUS项目发言人卡洛·鲁比亚表示，这些首次观测到的中微子消失结果是费米实验室ICARUS探测器及更广泛短基线中微子计划的重要里程碑，展示了探测器卓越性能和稳定性，证实拥有精确分析工具可严格探索惰性中微子假说。
ICARUS 实验记录到的μ子-中微子相互作用。中微子束从左侧入射，μ子中微子与液氩发生相互作用，产生一条140厘米的μ子径迹和两条10厘米的质子径迹。图片：ICARUS 合作组
这些结果对开发构建和分析技术至关重要。合作团队检验了数据样本不确定性，能准确描述中微子束通量、液氩中中微子相互作用及探测器性能，以90%的置信度对3 + 1惰性中微子模型设定排除限值。未来与其他SBN探测器联合分析对进一步降低不确定性至关重要，合作者称与SBND合作开展可靠双探测器分析很关键。
ICARUS与SBND和MicroBooNE一样，都是液氩时间投影室探测器。中微子极难探测，与液氩时间投影室中的氩原子相互作用时会引起电离产生电子，高电压使电子漂移到金属丝平面产生信号，提供中微子相互作用信息并允许三维重建粒子运动轨迹。
ICARUS是世界上首个大型液氩中微子探测器。图片来源：费米实验室 Al Johnson
这项技术也将应用于费米实验室牵头的深地中微子实验(DUNE)。DUNE目前正在建设，建成后将成为世界上最全面的中微子实验，其采用液氩时间投影室(TPC)探测器技术源自ICARUS实验，但规模是ICARUS的20倍以上。
ICARUS项目得到了美国能源部科学办公室、意大利国家核物理研究所 (INFN) 和欧洲核子研究中心 (CERN) 的支持。
