由美加州大學(xué)歐文分校的物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際Forward Search Experiment團(tuán)隊首次實現(xiàn)了對瑞士日內(nèi)瓦附近歐洲核子研究中心設(shè)施的大型強(qiáng)子對撞機(jī)產(chǎn)生的中微子候選人的探測。

在2021年11月24日發(fā)表在《Physical Review D》雜志上的一篇論文中，研究人員描述了他們?nèi)绾卧?018年安裝在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上的一個緊湊型乳化液探測器的試運(yùn)行期間觀察到六個中微子的相互作用。

“在這個項目之前，從來沒有在粒子對撞機(jī)上看到過中微子的跡象，”論文共同作者、UCI物理學(xué)和天文學(xué)特聘教授、FASER合作項目的共同負(fù)責(zé)人Jonathan Feng說道，“這一重大突破是朝著更深入地了解這些難以捉摸的粒子及其在宇宙中的作用邁出的一步?！?/p>

Feng表示，試驗期間的發(fā)現(xiàn)給了他的團(tuán)隊兩個關(guān)鍵的信息。

FASER粒子檢測器

“首先，它驗證了LHC的ATLAS交互點前方的位置是探測對撞機(jī)中微子的正確位置，”Feng說道，“其次，我們的努力證明了使用乳化液探測器來觀察這些類型的中微子相互作用的有效性?！?/p>

試驗儀器是由鉛和鎢板與乳劑層交替組成的。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的粒子對撞過程中，產(chǎn)生的一些中微子會砸入致密金屬中的原子核、產(chǎn)生的粒子會穿過乳劑層并在處理后產(chǎn)生可見的痕跡。這些刻痕提供了關(guān)于粒子能量、它們的種類--陶氏、μ子或電子--以及它們是中微子還是反中微子的線索。

據(jù)Feng介紹稱，乳劑的運(yùn)作方式類似于前數(shù)碼相機(jī)時代的攝影。當(dāng)35毫米膠片被暴露在光線下時光子會留下痕跡，當(dāng)膠片被沖洗時這些痕跡會顯示為圖案。FASER的研究人員同樣能在移除和沖洗探測器的乳劑層之后看到中微子的相互作用。

Feng說道：“在驗證了乳劑探測器方法對于觀察粒子對撞機(jī)產(chǎn)生的中微子的相互作用的有效性之后，F(xiàn)ASER團(tuán)隊現(xiàn)在正準(zhǔn)備用一個更大、更靈敏的完整儀器進(jìn)行一系列新的實驗?！?/p>

自2019年以來，F(xiàn)eng及其同事們一直在準(zhǔn)備利用FASER儀器進(jìn)行一項實驗以調(diào)查LHC的暗物質(zhì)。他們希望能探測到暗光子，這將使研究人員首次看到暗物質(zhì)如何通過非引力跟正常原子和宇宙中的其他物質(zhì)相互作用。

隨著他們在過去幾年里中微子工作的成功，F(xiàn)ASER團(tuán)隊--由來自9個國家21個機(jī)構(gòu)的76名物理學(xué)家組成--正在將一個新乳劑探測器跟FASER儀器相結(jié)合。試驗探測器重約64磅，而FASERnu儀器將超過2400磅，并且它的反應(yīng)性更強(qiáng)切能夠區(qū)分中微子的種類。

FASER項目的共同負(fù)責(zé)人、UCI物理學(xué)和天文學(xué)副教授David Casper表示：“鑒于我們新探測器的威力和它在歐洲核子研究中心的主要位置，我們預(yù)計在2022年開始的大型強(qiáng)子對撞機(jī)的下一次運(yùn)行中能記錄超過10,000次中微子相互作用。我們將探測到有史以來由人類產(chǎn)生的最高能量的中微子。”

Casper指出，F(xiàn)ASERnu的獨(dú)特之處在于，雖然其他實驗?zāi)軈^(qū)分一種或兩種中微子，但它將能觀察到所有三種口味的中微子以及它們的反中微子對應(yīng)物。Casper表示，在整個人類歷史上只有約10次對陶氏中微子的觀測，但他預(yù)計他的團(tuán)隊將能在未來三年內(nèi)將這一數(shù)字提高一倍或兩倍。

“這對UCI物理系的傳統(tǒng)來說是一個非常好的配合，因為它是在繼承Frederick Reines的遺產(chǎn)，他是UCI的創(chuàng)始教師，因第一個發(fā)現(xiàn)中微子而獲得諾貝爾物理學(xué)獎，”Feng說道。

“我們在世界首要的粒子物理實驗室用創(chuàng)紀(jì)錄的時間和非常非傳統(tǒng)的來源制作了一個世界級的實驗。我們對Heising-Simons基金會和Simons基金會以及日本科學(xué)促進(jìn)會和歐洲核子研究中心的慷慨支持表示極大的感謝，”Casper最后說道。