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中微子概念的提出具有靈光一現(xiàn)的戲劇性，而中微子的發(fā)現(xiàn)和基本物理性質(zhì)的探測(cè)則是粒子物理實(shí)驗(yàn)學(xué)家長(zhǎng)期艱苦努力的結(jié)果。然而，宇宙線中微子或太陽(yáng)中微子的產(chǎn)生和探測(cè)一直都是被動(dòng)形式的，而反應(yīng)堆或固定靶實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的中微子的能量相對(duì)較低。2023年3月，F(xiàn)ASER實(shí)驗(yàn)宣布首次在對(duì)撞機(jī)上直接觀測(cè)到較高能量的中微子。

撰文 | 陳新、胡震、王青（清華大學(xué)物理系）

今年3月，在意大利舉行的第57屆 Rencontres de Moriond電弱相互作用和統(tǒng)一理論會(huì)議上，F(xiàn)ASER（Forward Search Experiment）[1]宣布首次在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上直接觀測(cè)到中微子。這對(duì)于我們理解中微子的基本屬性和粒子天體物理學(xué)中的觀測(cè)結(jié)果非常重要。

中微子不帶電，質(zhì)量非常輕（小于電子的百萬(wàn)分之一），以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)，只參與非常微弱的弱相互作用，具有極強(qiáng)的穿透力。每時(shí)每刻，有數(shù)以千億計(jì)的中微子流經(jīng)我們的身體，而我們卻毫無(wú)感知。因此，中微子獲得了“幽靈粒子”的綽號(hào)。中微子的檢測(cè)非常困難，即便是穿越地球直徑那么厚的物質(zhì)，在100億個(gè)中微子中也大約只有一個(gè)會(huì)與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。實(shí)際上，大多數(shù)粒子物理和核物理過(guò)程都伴隨著中微子的產(chǎn)生和吸收，例如核反應(yīng)堆發(fā)電（核裂變）、太陽(yáng)發(fā)光（核聚變）、天然放射性（貝塔衰變）、超新星爆發(fā)、宇宙射線等等，但是我們探測(cè)中微子的手段卻相當(dāng)有限。而且，大部分中微子實(shí)驗(yàn)都位于地下或冰下，并需要在超純水或液體閃爍體環(huán)境中布置足夠體量的探測(cè)器，比如中國(guó)的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)，日本的超級(jí)神岡中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)，美國(guó)的IceCube實(shí)驗(yàn)，以及在建的具有兩萬(wàn)噸液體閃爍體的中國(guó)江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)站。它們或則是用于探測(cè)反應(yīng)堆中微子，或則是為了捕獲宇宙線中微子或太陽(yáng)中微子的蛛絲馬跡。

當(dāng)然，中微子也可以在歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上被大量產(chǎn)生，但LHC上四個(gè)主要的大型探測(cè)器，即ALICE、ATLAS、CMS和LHCb，都不適合探測(cè)與粒子束流線平行產(chǎn)生的輕的和相互作用極其微弱的粒子的信號(hào)，比如中微子和暗光子（注：暗光子尚未被證實(shí)真實(shí)存在）。雖然垂直于束流線方向的中微子動(dòng)量可以被計(jì)算得出，但這也只是根據(jù)動(dòng)量守恒原理進(jìn)行的間接測(cè)量。

2019年，一些目光長(zhǎng)遠(yuǎn)的理論學(xué)家和在這四個(gè)探測(cè)器上工作的一批實(shí)驗(yàn)學(xué)家看到了這一局限性，向歐洲核子研究中心（CERN）提交了建造一個(gè)探測(cè)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的長(zhǎng)壽命粒子（LLP）和中微子的小型探測(cè)器的建議，并很快獲得了批準(zhǔn)。這個(gè)探測(cè)器被命名為FASER，它位于ATLAS前端沿質(zhì)子束流線切線方向480米遠(yuǎn)處，用來(lái)探測(cè)在ATLAS碰撞中心產(chǎn)生的LLP的衰變產(chǎn)物。這種粒子通常質(zhì)量很輕，跟標(biāo)準(zhǔn)模型粒子耦合強(qiáng)度很小，所以很容易逃脫一般探測(cè)器的法眼。如果質(zhì)量不是太小，它會(huì)衰變?yōu)檩p子或光子對(duì)。在它的飛行路徑上放上一個(gè)探測(cè)器，就可以探測(cè)到這些LLP粒子的衰變產(chǎn)物，從而證實(shí)它的存在。LLP粒子可以是暗光子、類軸子粒子或者具有奇CP宇稱的標(biāo)量粒子。一般來(lái)說(shuō)，沿著束流線切線方向，LLP和中微子的產(chǎn)率最高，也最有希望探測(cè)到LLP和中微子。

FASER放置于歐洲核子中心TI12隧道內(nèi)，這段隧道連接LHC和附近的超級(jí)質(zhì)子同步加速器（SPS）， LLP在ATLAS探測(cè)器中產(chǎn)生后，飛行480米直線距離后進(jìn)入FASER，其沿途的衰變產(chǎn)物將會(huì)被FASER探測(cè)到。在此過(guò)程中，LLP是穿越了10米厚的水泥和90米厚的巖石層之后才到達(dá)FASER。標(biāo)準(zhǔn)模型之外的許多模型都預(yù)測(cè)了LLP粒子的存在。這些模型試圖解決物理學(xué)中一些大難題，例如暗物質(zhì)的性質(zhì)、中微子質(zhì)量的起源以及物質(zhì)和反物質(zhì)在數(shù)量上的巨大差別。

圖1: TI12隧道內(nèi)部

圖2: 安裝在TI12隧道內(nèi)的FASER

FASER 還包括一個(gè)名為 FASERν的子探測(cè)器，它專門(mén)設(shè)計(jì)用于探測(cè)來(lái)自ATLAS對(duì)撞中心的中微子。這些中微子所在能區(qū)的相互作用尚未得到詳細(xì)的研究，其反應(yīng)截面也還沒(méi)有被測(cè)量過(guò)。FASER的電子學(xué)探測(cè)器無(wú)法探測(cè)到對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的中微子，因?yàn)樗鄙僮銐虻陌形镔|(zhì)材料來(lái)形成中微子與物質(zhì)之間非常微弱的相互作用。而FASERν由上千塊鎢吸收板和核乳膠交替構(gòu)成，可以既作為靶物質(zhì)又作為探測(cè)器來(lái)觀測(cè)中微子與物質(zhì)的相互作用。2021年，用于驗(yàn)證的FASERν Pilot探測(cè)器公布了2018年收集的數(shù)據(jù)結(jié)果，宣布首次探測(cè)到了來(lái)自對(duì)撞機(jī)的6.1個(gè)中微子候選事例[2]。

圖3:中微子候選事例在核乳膠探測(cè)器中的影像

去年，F(xiàn)ASER實(shí)驗(yàn)與LHC Run 3的運(yùn)行取數(shù)同步啟動(dòng)，在今年3月的 Rencontres de Moriond電弱會(huì)議上，F(xiàn)ASER宣布首次直接觀測(cè)到對(duì)撞機(jī)中微子[3, 4, 5]。特別是，F(xiàn)ASER觀察到了繆子中微子，和電子中微子的候選事件。“我們的統(tǒng)計(jì)顯著性約為16倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，遠(yuǎn)超過(guò)5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差這一可以宣布發(fā)現(xiàn)的門(mén)檻，”FASER 的聯(lián)合發(fā)言人杰米·博伊德解釋道。此次分析中被探測(cè)到的中微子首先和FASER探測(cè)器通過(guò)帶電流作用產(chǎn)生繆子，繆子再被FASER電子學(xué)硅微條探測(cè)器探測(cè)到。FASER 實(shí)驗(yàn)使用約幾十塊硅微條模塊進(jìn)行帶電粒子徑跡點(diǎn)的探測(cè)和重建，這些模塊是ATLAS硅探測(cè)器的備用模塊，經(jīng)ATLAS合作組同意后直接應(yīng)用在FASER探測(cè)器上。未來(lái)，這些超出本底的信號(hào)事例將被轉(zhuǎn)換為中微子與物質(zhì)相互作用的散射橫截面積，從而可以和理論計(jì)算進(jìn)行比較。

這次FASER的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也標(biāo)志著人類首次在粒子對(duì)撞機(jī)中明確探測(cè)到中微子?！拔覀儚囊粋€(gè)全新的來(lái)源‘粒子對(duì)撞機(jī)’中發(fā)現(xiàn)了中微子，在那里兩束粒子以極高的能量撞擊在一起形成中微子。”FASER合作組聯(lián)合發(fā)言人、項(xiàng)目發(fā)起者、加州大學(xué)歐文分校粒子物理學(xué)家馮孝仁評(píng)論道[6]。另外一個(gè)實(shí)驗(yàn) SND@LHC 也報(bào)告了它在 Moriond會(huì)議的第一個(gè)結(jié)果，展示了八個(gè)繆子中微子候選事件。“我們?nèi)栽谂υu(píng)估背景的系統(tǒng)不確定性。作為一個(gè)非常初步的結(jié)果，我們的觀察結(jié)果可以達(dá)到5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差水平，”SND@LHC 發(fā)言人Giovanni De Lellis補(bǔ)充道[4]。SND@LHC探測(cè)器安裝在LHC隧道中，也正好趕上LHC Run 3的開(kāi)始。

到目前為止，中微子實(shí)驗(yàn)只研究了來(lái)自太陽(yáng)、超新星爆炸、大氣、地球、核反應(yīng)堆或固定靶實(shí)驗(yàn)的中微子。其中，來(lái)自外太空天體的中微子能量往往很高，例如南極IceCube實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的中微子的能量可達(dá)10 PeV量級(jí)；太陽(yáng)和反應(yīng)堆產(chǎn)生的電子型中微子能量通常在10 MeV以下；固定靶實(shí)驗(yàn)的中微子可以達(dá)到幾百GeV。FASER實(shí)驗(yàn)正好填補(bǔ)了它們之間的空白能區(qū)——在幾百 GeV 到幾 TeV 之間。

清華大學(xué)工程物理系教授、近代物理研究所所長(zhǎng)陳少敏認(rèn)為：“FASER實(shí)驗(yàn)利用對(duì)撞機(jī)觀測(cè)到統(tǒng)計(jì)上如此顯著的從幾百 GeV到幾個(gè) TeV 能量的中微子，把IceCube 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到來(lái)自宇宙的TeV 高能中微子帶回到了實(shí)驗(yàn)室，不但為研究如此高能的中微子屬性提供了機(jī)遇，也使得通過(guò)高能宇宙線中微子來(lái)研究宇宙線起源進(jìn)一步邁向了精密測(cè)量的時(shí)代?！盵7]

FASER的研究對(duì)于理解天體中微子的大氣背景也非常重要。宇宙射線與大氣分子和原子的碰撞產(chǎn)生大量中微子背景，這些碰撞轉(zhuǎn)換到入射的高能粒子和被撞粒子的質(zhì)心參考系的能量與LHC的對(duì)撞能量相仿，F(xiàn)ASER對(duì)這一能區(qū)中微子的研究將為天體物理中微子的觀測(cè)鋪平道路。

圖4: FASER探測(cè)到對(duì)撞機(jī)中微子事件示意圖

在人類制造的能量最高前沿產(chǎn)生并探測(cè)幽靈粒子，為基礎(chǔ)科學(xué)開(kāi)辟了新的方向。FASER的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為我們理解中微子產(chǎn)生機(jī)制，質(zhì)子中低動(dòng)量部分子的行為，對(duì)撞點(diǎn)前向區(qū)物理等打開(kāi)了一扇門(mén)。未來(lái)，我們期待FASER對(duì)來(lái)自對(duì)撞機(jī)的其它類型中微子的探測(cè)，精確測(cè)定不同類型中微子事例的比例關(guān)系（這將是標(biāo)準(zhǔn)模型在中微子領(lǐng)域的一項(xiàng)重要測(cè)試），以及對(duì)可能的惰性中微子、暗物質(zhì)粒子等新物理信號(hào)的尋找提供線索。

FASER合作組現(xiàn)在已有來(lái)自全球22個(gè)合作單位的80多名研究人員，中國(guó)的清華大學(xué)是FASER合作組最初成立時(shí)的16個(gè)創(chuàng)始成員單位之一，為FASER實(shí)驗(yàn)的建設(shè)、運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析貢獻(xiàn)了力量[7]。

參考文獻(xiàn)

[1] https://faser.web.cern.ch/

[2] https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.L091101

[3] https://arxiv.org/abs/2303.14185

[4] https://home.cern/news/news/experiments/new-lhc-experiments-enter-uncharted-territory

[5] https://indico.cern.ch/event/1227016/contributions/5314959/attachments/2614023/4517266/FaserPhysicsResults.pdf

[6] https://news.uci.edu/2023/03/20/uc-irvine-led-team-is-first-to-detect-neutrinos-made-by-particle-collider/

[7] https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1229/5480.htm

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出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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