FASER研究团队首次在大型强子对撞实验期间探测到中微子

在一项名为 FASER 的实验中，科学家们分析了仪器收集的粒子碰撞过程中产生的中微子信号，希望后续有助于更深入地理解某些关键的物理学特性。据悉，中微子(Neutrinos)是一种呈电中性、极轻、且很少与物质粒子产生相互作用的基本粒子。但也正是因为这种特性，使得“即使很常见”的它们也很难被检测到。

FASER 粒子探测器(图自：CERN，via UC Irvine)

中微子在恒星、超新星和类星体中产生，放射性衰变、宇宙射线和地球大气中的原子相互作用。

事实上，在转瞬之间，就有数十亿计的中微子穿过你我的身体。通俗点，你也可以将它称作“幽灵粒子”(Ghost Particles)。

研究配图 - 1：探测器的金属板结构

长期以来，人们一直以为像 LHC 这样的粒子加速器，也能够在实验过程中制造出中微子。遗憾的是，此前一直没能找到合适的仪器来探测。

好消息是，FASER 项目在 2018 年试运行期间部署并测试了“正确的仪器”，最终让科学家们发现了六次中微子的相互作用。

研究配图 - 2：μ 子通量函数

研究合著者 Jonathan Feng 表示：“在该项目之前，我们从未在粒子对撞机上看到过中微子的迹象。随着这项重大的突破，后续我们能够更加深入地了解这些难以捉摸的粒子、及其在宇宙中所扮演的角色”。

实验期间，研究人员将 FASER 仪器部署到了位于粒子碰撞发生地 408 米(1575 英尺)的地方，并以类似胶片摄影的方式来开展记录工作。

研究配图 - 3：事件投影

FASER 探测器本体由铅 / 钨金属隔板组成，且中间有一层乳剂。一些中微子会撞击到致密金属中的原子核，从而产生其它流行乳液的粒子。

当乳剂层像胶片一样“显影”时，它们留下的痕迹就可以被观察到。在验证了该方法的有效性后，FASER 团队现又准备一系列新实验，并换用一套更大、更灵敏的完整仪器装置。

研究配图 - 4：中微子信号 / 中性强子背景的 BDT 输入变量的 Monte Carlo 模拟分布

据悉，名为 FASERnu 的完整探测器的重量超过了 1090 公斤(2400 磅)，而 FASER 的先行版本仅为 29 公斤(64 磅)。

得益于更高的灵敏度，研究团队不仅可以更频繁地检测中微子，还能够区分它们进入时的三种形态、甚至反中微子。

研究配图 - 5：带电强子 / μ 子相互作用的 BDT 输入变量

研究合著者 David Casper 表示：“新探测器功能相当强大、且位于欧洲核子研究中心(CERN)的黄金位置，我们希望能够在 LHC 的下一次运行过程中(2022 年开启)开展实验”。

如果一切顺利，FASERnu 有望记录下超过 10000 次的中微子相互作用 —— 同时也意味着对人造来源的能量最高的中微子展开探测。

研究配图 - 5：中性顶点 BDT 输出观察、拟合数据预期信号 / 背景分布(堆叠)

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《物理评论 D 刊》(Physical Review D)上，原标题为《First neutrino interaction candidates at the LHC》。