終於，“幽靈粒子”撞出來了_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！04-13 10:53
中微子概念的提出具有靈光一現的戲劇性，而中微子的發現和基本物理性質的探測則是粒子物理實驗學家長期艱苦努力的結果。然而，宇宙線中微子或太陽中微子的產生和探測一直都是被動形式的，而反應堆或固定靶實驗產生的中微子的能量相對較低。2023年3月，FASER實驗宣佈首次在對撞機上直接觀測到較高能量的中微子。
撰文 | 陳新、胡震、王青（清華大學物理系）
今年3月，在意大利舉行的第57屆 Rencontres de Moriond電弱相互作用和統一理論會議上，FASER（Forward Search Experiment）[1]宣佈首次在大型強子對撞機上直接觀測到中微子。這對於我們理解中微子的基本屬性和粒子天體物理學中的觀測結果非常重要。
中微子不帶電，質量非常輕（小於電子的百萬分之一），以接近光速的速度運動，只參與非常微弱的弱相互作用，具有極強的穿透力。每時每刻，有數以千億計的中微子流經我們的身體，而我們卻毫無感知。因此，中微子獲得了“幽靈粒子”的綽號。中微子的檢測非常困難，即便是穿越地球直徑那麼厚的物質，在100億個中微子中也大約只有一個會與物質發生反應。實際上，大多數粒子物理和核物理過程都伴隨着中微子的產生和吸收，例如核反應堆發電（核裂變）、太陽發光（核聚變）、天然放射性（貝塔衰變）、超新星爆發、宇宙射線等等，但是我們探測中微子的手段卻相當有限。而且，大部分中微子實驗都位於地下或冰下，並需要在超純水或液體閃爍體環境中佈置足夠體量的探測器，比如中國的大亞灣反應堆中微子實驗，日本的超級神岡中微子探測實驗，美國的IceCube實驗，以及在建的具有兩萬噸液體閃爍體的中國江門中微子實驗站。它們或則是用於探測反應堆中微子，或則是為了捕獲宇宙線中微子或太陽中微子的蛛絲馬跡。
當然，中微子也可以在歐洲大型強子對撞機LHC上被大量產生，但LHC上四個主要的大型探測器，即ALICE、ATLAS、CMS和LHCb，都不適合探測與粒子束流線平行產生的輕的和相互作用極其微弱的粒子的信號，比如中微子和暗光子（注：暗光子尚未被證實真實存在）。雖然垂直於束流線方向的中微子動量可以被計算得出，但這也只是根據動量守恆原理進行的間接測量。
2019年，一些目光長遠的理論學家和在這四個探測器上工作的一批實驗學家看到了這一侷限性，向歐洲核子研究中心（CERN）提交了建造一個探測超越標準模型的長壽命粒子（LLP）和中微子的小型探測器的建議，並很快獲得了批准。這個探測器被命名為FASER，它位於ATLAS前端沿質子束流線切線方向480米遠處，用來探測在ATLAS碰撞中心產生的LLP的衰變產物。這種粒子通常質量很輕，跟標準模型粒子耦合強度很小，所以很容易逃脱一般探測器的法眼。如果質量不是太小，它會衰變為輕子或光子對。在它的飛行路徑上放上一個探測器，就可以探測到這些LLP粒子的衰變產物，從而證實它的存在。LLP粒子可以是暗光子、類軸子粒子或者具有奇CP宇稱的標量粒子。一般來説，沿着束流線切線方向，LLP和中微子的產率最高，也最有希望探測到LLP和中微子。
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FASER放置於歐洲核子中心TI12隧道內，這段隧道連接LHC和附近的超級質子同步加速器（SPS）， LLP在ATLAS探測器中產生後，飛行480米直線距離後進入FASER，其沿途的衰變產物將會被FASER探測到。在此過程中，LLP是穿越了10米厚的水泥和90米厚的岩石層之後才到達FASER。標準模型之外的許多模型都預測了LLP粒子的存在。這些模型試圖解決物理學中一些大難題，例如暗物質的性質、中微子質量的起源以及物質和反物質在數量上的巨大差別。
FASER 還包括一個名為 FASERν的子探測器，它專門設計用於探測來自ATLAS對撞中心的中微子。這些中微子所在能區的相互作用尚未得到詳細的研究，其反應截面也還沒有被測量過。FASER的電子學探測器無法探測到對撞機產生的中微子，因為它缺少足夠的靶物質材料來形成中微子與物質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成，可以既作為靶物質又作為探測器來觀測中微子與物質的相互作用。2021年，用於驗證的FASERν Pilot探測器公佈了2018年收集的數據結果，宣佈首次探測到了來自對撞機的6.1箇中微子候選事例[2]。
去年，FASER實驗與LHC Run 3的運行取數同步啓動，在今年3月的 Rencontres de Moriond電弱會議上，FASER宣佈首次直接觀測到對撞機中微子[3, 4, 5]。特別是，FASER觀察到了繆子中微子，和電子中微子的候選事件。“我們的統計顯著性約為16倍標準偏差，遠超過5倍標準偏差這一可以宣佈發現的門檻，”FASER 的聯合發言人傑米·博伊德解釋道。此次分析中被探測到的中微子首先和FASER探測器通過帶電流作用產生繆子，繆子再被FASER電子學硅微條探測器探測到。FASER 實驗使用約幾十塊硅微條模塊進行帶電粒子徑跡點的探測和重建，這些模塊是ATLAS硅探測器的備用模塊，經ATLAS合作組同意後直接應用在FASER探測器上。未來，這些超出本底的信號事例將被轉換為中微子與物質相互作用的散射橫截面積，從而可以和理論計算進行比較。
這次FASER的實驗結果也標誌着人類首次在粒子對撞機中明確探測到中微子。“我們從一個全新的來源‘粒子對撞機’中發現了中微子，在那裏兩束粒子以極高的能量撞擊在一起形成中微子。”FASER合作組聯合發言人、項目發起者、加州大學歐文分校粒子物理學家馮孝仁評論道[6]。另外一個實驗 SND@LHC 也報告了它在 Moriond會議的第一個結果，展示了八個繆子中微子候選事件。“我們仍在努力評估背景的系統不確定性。作為一個非常初步的結果，我們的觀察結果可以達到5倍標準偏差水平，”SND@LHC 發言人Giovanni De Lellis補充道[4]。SND@LHC探測器安裝在LHC隧道中，也正好趕上LHC Run 3的開始。
到目前為止，中微子實驗只研究了來自太陽、超新星爆炸、大氣、地球、核反應堆或固定靶實驗的中微子。其中，來自外太空天體的中微子能量往往很高，例如南極IceCube實驗檢測到的中微子的能量可達10 PeV量級；太陽和反應堆產生的電子型中微子能量通常在10 MeV以下；固定靶實驗的中微子可以達到幾百GeV。FASER實驗正好填補了它們之間的空白能區——在幾百 GeV 到幾 TeV 之間。
清華大學工程物理系教授、近代物理研究所所長陳少敏認為：“FASER實驗利用對撞機觀測到統計上如此顯著的從幾百 GeV到幾個 TeV 能量的中微子，把IceCube 實驗觀測到來自宇宙的TeV 高能中微子帶回到了實驗室，不但為研究如此高能的中微子屬性提供了機遇，也使得通過高能宇宙線中微子來研究宇宙線起源進一步邁向了精密測量的時代。”[7]
FASER的研究對於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生大量中微子背景，這些碰撞轉換到入射的高能粒子和被撞粒子的質心參考系的能量與LHC的對撞能量相仿，FASER對這一能區中微子的研究將為天體物理中微子的觀測鋪平道路。
在人類製造的能量最高前沿產生並探測幽靈粒子，為基礎科學開闢了新的方向。FASER的實驗結果為我們理解中微子產生機制，質子中低動量部分子的行為，對撞點前向區物理等打開了一扇門。未來，我們期待FASER對來自對撞機的其它類型中微子的探測，精確測定不同類型中微子事例的比例關係（這將是標準模型在中微子領域的一項重要測試），以及對可能的惰性中微子、暗物質粒子等新物理信號的尋找提供線索。
FASER合作組現在已有來自全球22個合作單位的80多名研究人員，中國的清華大學是FASER合作組最初成立時的16個創始成員單位之一，為FASER實驗的建設、運行和數據分析貢獻了力量[7]。
參考文獻
[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
[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
本文受科普中國·星空計劃項目扶持
出品：中國科協科普部
監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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