物理学家首次在LHC中探测到难以捉摸的“幽灵粒子”

粒子物理学的一个重要里程碑刚刚在大型强子对撞机 (LHC) 上取得。

首次探测到候选中微子，不仅在大型强子对撞机中，而且在任何粒子对撞机中。

使用中微子子探测器 FASERnu 探测到的六种中微子相互作用不仅证明了该技术的可行性，而且为研究这些神秘粒子开辟了一条新途径，特别是在高能下。

“在这个项目之前，从未在粒子对撞机上看到中微子的迹象，”加州大学欧文分校的物理学家、FASER 合作的联合负责人乔纳森冯说。

“这一重大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。”

中微子实际上无处不在。它们是宇宙中最丰富的亚原子粒子之一。但它们不带电荷，质量几乎为零，因此，尽管它们以几乎光速穿过宇宙，但它们几乎没有与之相互作用。数十亿的事物现在正在通过你流淌。对于中微子来说，宇宙的其余部分基本上是无形的；这就是为什么它们也被称为幽灵粒子的原因。

尽管他们很少互动，但这与从不互动是不一样的。例如，南极洲的IceCube、日本的Super-Kamiokande和伊利诺伊州费米实验室的MiniBooNE 等探测器使用灵敏的光电探测器阵列，这些探测器阵列旨在检测中微子在完全黑暗的环境中与其他粒子相互作用时出现的光阵雨。

但长期以来，科学家们还想研究粒子对撞机产生的中微子。那是因为主要从强子衰变中产生的对撞机中微子是在非常高的能量下产生的，而这一点尚未得到很好的研究。检测对撞机中微子可以获取在其他地方很少见的中微子能量和类型。

FASERnu 是所谓的乳液检测器。铅和钨板与乳剂层交替：在 LHC 的粒子实验期间，中微子可以与铅和钨板中的原子核碰撞，产生在乳剂层中留下痕迹的粒子，有点像电离辐射在一个云室。

印版需要像胶卷一样显影。然后，物理学家可以分析粒子轨迹以找出产生它们的原因；它是否是中微子，然后中微子的“味道”或类型是什么。存在三种中微子味道——电子、μ子和 tau——以及它们的反中微子对应物。

在 2018 年进行的 FASERnu 试运行中，在乳液层中记录了六个候选中微子相互作用。考虑到 LHC 一次运行会产生多少粒子，这可能看起来并不多，但它为合作提供了两条重要信息。

“首先，它验证了 LHC 处 ATLAS 相互作用点前方的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观察这些中微子相互作用的有效性。”

先导探测器是一个相对较小的装置，重约 29 公斤（64 磅）。该团队目前正在开发完整版，大约 1,100 公斤（超过 2,400 磅）。该仪器将显着更加敏感，并将允许研究人员区分中微子的味道和反中微子的对应物。

他们预计大型强子对撞机的第三次观测将产生 2000 亿个电子中微子、6 万亿个介子中微子和 90 亿个 tau 中微子，以及它们的反中微子。由于迄今为止我们总共只检测到大约 10 个 tau 中微子，这将是一个非常大的问题。

此次合作还着眼于更加难以捉摸的猎物。他们寄希望于探测暗光子，这目前是假设性的，但这有助于揭示暗物质的本质，暗物质是构成宇宙大部分物质的神秘的直接无法探测的质量。

但是，对于我们理解宇宙的基本组成部分，仅中微子的探测就向前迈出了非常令人兴奋的一步。

“鉴于我们新探测器的强大功能及其在欧洲核子研究中心的优越位置，我们预计从 2022 年开始，在 LHC 的下一次运行中将能够记录超过 10,000 次中微子相互作用，”来自伦敦大学的物理学家和天文学家大卫·卡斯珀说。加州，欧文，FASER 项目联合负责人。

“我们将探测到由人造来源产生的能量最高的中微子。”

该团队的研究已发表在《物理评论 D》上。