物理学家有史以来第一次在大型强子对撞机上检测到中微子的迹象

在 CERN 设施预览中为即将到来的 3 年研究活动先教。

由加州大学欧文分校的物理学家领导的国际前向搜索实验小组首次探测到大型强子对撞机产生的候选中微子。 欧洲核子研究中心 瑞士日内瓦附近的工厂。

在 2021 年 11 月 24 日发表在该杂志上的研究论文中 身体检查 d2018 年，研究人员描述了他们如何在 2018 年安装在 LHC 上的加压乳液探测器的实验运行期间观察到六种中微子相互作用。

“在这个项目之前，粒子对撞机中没有中微子的迹象，”共同作者、UCI 物理学和天文学特聘教授、FASER 合作的联合负责人乔纳森·冯说。 “这一重要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所扮演的角色迈出的一步。”

他说，试点期间的发现为他的团队提供了两条重要信息。

欧洲核子研究中心批准的 FASER 粒子探测器将于 2019 年安装在大型强子对撞机上，最近通过中微子探测器进行了增强。 UCI 领导的 FASER 团队在 2018 年使用相同类型的较小探测器对对撞机产生的难以捉摸的粒子进行了首次观察。 研究人员表示，在未来三年内，这种新仪器将能够探测到数千种中微子的相互作用。 图片来源：欧洲核子研究中心

“首先，验证 LHC 中 ATLAS 相互作用点的前方位置是检测对撞机中微子的正确位置，”冯说。 “其次，我们的努力证明了使用乳液探测器来监测这些类型的中微子相互作用的有效性。”

实验仪器由铅板和钨板交替以及乳剂层组成。 在大型强子对撞机中的粒子碰撞过程中，一些中微子导致致密的金属核破裂，产生的粒子穿过乳液层并在处理后产生可见的痕迹。 这些铭文提供了关于粒子能量和味道——tau、μ 子或电子——以及它们是中微子还是反中微子的线索。

据冯说，乳剂的工作方式类似于前数码相机时代的摄影。 当 35 毫米胶片曝光时，光子会留下痕迹，在胶片显影时出现图案。 FASER 研究人员还能够在探测器中的乳剂层被移除和显影后看到中微子的相互作用。

“在验证了乳液探测器方法在观察粒子对撞机产生的中微子相互作用方面的有效性之后，FASER 团队现在正在使用一个更大、更灵敏的完整仪器进行一系列新的实验，”冯说.

FASER 实验距离大型强子对撞机的阿特拉斯相互作用点 480 米。 UCI 物理学和天文学特聘教授兼 FASER 合作的联合负责人乔纳森·冯 (Jonathan Feng) 表示，这是在设施中检测粒子碰撞中微子的好地方。 图片来源：欧洲核子研究中心

自 2019 年以来，他和他的同事一直在准备使用 FASER 仪器进行实验，以检查 LHC 的暗物质。 他们希望发现暗光子，这将使研究人员初步了解暗物质如何通过重力以外的力与自然原子和宇宙中的其他物质相互作用。

随着过去几年中微子工作的成功，FASER 团队（由来自 9 个国家的 21 个机构的 76 名物理学家组成）正在将新的乳液检测器与 FASER 仪器相结合。 虽然实验探测器重约 64 磅，但 FASERnu 仪器将超过 2,400 磅，并且反应性更强，能够区分中微子的类型。

共同作者、UCI 共同项目 FASER 负责人、物理学和天文学副教授大卫卡斯珀说。 “我们将发现由人造来源产生的最高能量中微子。”

他说，FASERnu 的独特之处在于，虽然其他实验已经能够区分一种或两种类型的中微子，但他们将能够观察到所有三种口味以及它们的反中微子对应物。 Casper 说在人类历史上只有大约 10 次观察到 tau 中微子，但他预计他的团队能够在未来三年内将这个数字增加一倍或三倍。

“这与 UCI 物理系的传统有着令人难以置信的迷人联系，”冯说，因为它延续了 Frederick Raines 的遗产，他是 UCI 的创始教员，他因率先发现物理学而获得诺贝尔物理学奖中微子。 ”

“我们以创纪录的时间和非常规的资源在世界一流的粒子物理实验室进行了世界一流的实验，”卡斯珀说。 “我们非常感谢 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。”

参考：Henso Abreu 等人的“LHC 中中微子相互作用的第一个候选者”。 （FASER 合作），2021 年 11 月 24 日，可在此处获取。 身体检查 d.
DOI：10.1103/ PhysRevD.104.L091101

加州大学洛杉矶分校的 Savannah Shivley 和 Jason Arakawa 博士。 物理和天文学的学生也为这项研究做出了贡献。