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中微子检测器在大型强子对撞机获得重要发现

2021-11-25 15:17          中微子 LHC欧洲核子研究中心

2013年7月19日,在日内瓦附近的梅林,一名工人在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)隧道里骑着自行车进行维护工作。欧洲核子研究中心表示,在世界最大的对撞机上进行的测试为标准模型提供了迄今为止最详尽的确认,标准模型是一个有40年历史的基本粒子概念框架。


位于瑞士的欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)产生的首个中微子候选体已被加利福尼亚大学欧文分校(UCI)的物理学家领导的一个国际团队探测到。中微子(已知的最轻和最弱相互作用的粒子)是由位于LHC主质子对撞机光束切线上的一个小型试验仪器探测到的。

在刚刚发表在《物理评论 D》杂志上的一篇论文中 ,该团队详细介绍了他们如何在前向搜索实验 (FASER) 的试运行期间观察到六种中微子相互作用的,该实验是 2018 年安装在 LHC 上的紧凑型乳化液探测器。

对中微子、它们的质量、它们的类型和它们的起源的讨论对公众来说仍然像大爆炸前的宇宙学一样令人费解。但是中微子对于追踪难以捉摸的隐藏的奇异暗物质的现实可能是至关重要的。而这次新的探测是朝着这个方向迈出的一步。

UCI理论物理学家、该论文的合著者之一乔纳森.冯(Jonathan Feng)说:“这打开了一扇新的窗口。大型强子对撞机因探测希格斯玻色子而闻名,但人们从未想到它是一个可以探测中微子的地方。有了这个结果,我们开辟了一个全新的领域,即对撞机的中微子物理学。”

冯解释说,通过探测实验室产生的中微子,我们可以完全控制正在发生的事情——粒子是如何产生的,以及它们是如何被检测到的。他说,这意味着我们可以对来自新效应的微小偏差保持敏感,这些新效应可能预示着新的自然法则。

相比之下,当中微子在宇宙的其他地方自然产生时,如果人们看到一些奇怪的东西,就很难判断是由于新的自然规律,还是仅仅是对中微子最终来源的误解,冯说。


中微子,概念电子艺术品。


冯说,粒子对撞机已经运行了 70 多年,但没有一个能够探测到中微子。但冯说,在一个月内,他和同事们能够探测到六种中微子相互作用。所有这些都使用了一个由回收零件制成的手提箱大小的探测器。

该团队的仪器 FASERnu 捕获沿对撞机质子束线盲点产生的粒子。冯说,事实证明,这是大多数高能中微子所在的地方,而且这些中微子最容易被探测到。这就是他和同事能够用这么小的仪器探测到中微子的原因之一。

UCI 实验物理学家、该论文的合著者之一戴夫·卡斯帕 (Dave Casper) 说,中微子在20世纪30年代首次被预测,以解释核辐射β衰变中明显违反守恒定律的情况。

但它们直到20世纪50年代才被发现。

卡斯帕说,之所以花了这么长时间,是因为中微子的相互作用太弱了。他说,需要一个核反应堆,在其中产生中微子作为核裂变的产物,才有足够的中微子来检测其中的一小部分。

最终确定存在三种不同类型或“味”的中微子。最初,所有中微子都被认为是没有质量的。然而在20世纪80年,中微子被确定具有一定的质量,但不足以解释失踪的奇异暗物质。

卡斯帕说,中微子的质量比次重的粒子(电子)小一百万倍。他说,中微子和其他基本粒子之间的巨大质量差异被认为是新物理学的一条线索。

中微子和暗物质有什么关系?

冯说,中微子不可能是暗物质的大部分——它们不具备正确的属性。但是中微子和暗物质粒子是相互关联的,因为它们都是相互作用极弱的粒子。出于这个原因,擅长寻找中微子的实验也擅长寻找某种暗物质,冯指出。

尽管在理解中微子方面取得了进展,但谜团依然存在。

冯说,我们仍然不知道中微子的基本特性,如何解释中微子很小但非零的质量,甚至不知道中微子的种类有多少。

但希望这种新的 FASER 仪器将在我们对中微子物理学的理解方面带来翻天覆地的变化。

卡斯帕说,我们开始利用 LHC 碰撞中产生的大量高能中微子,这些中微子直到现在都被“浪费了”。他指出,FASER实验将利用提供令人难以置信的高分辨率(微米级)的LHC产生的中微子相互作用的三维图像。

下一步是什么?

冯说,从 2022 年开始,我们将运行一个更大的一吨探测器,该探测器将运行三年。他说,我们希望能探测到人类实验产生的 10,000 个最高能量的中微子,这将使我们能够精确地研究它们的特性。

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