来自对撞机的“幽灵粒子”首次被直接捕获！清华团队作出贡献
3月19日，欧洲核子中心（CERN）的 FASER 合作组[1]报告首次直接探测到由粒子对撞机产生的中微子[2]。这一发现有望加深科学家对 1956 年首次发现的中微子性质的理解。中微子质量虽轻，却是恒星燃烧的关键参与者。该研究也可涵盖来自宇宙中的中微子，它们经过长距离传播后与地球碰撞，为人们了解宇宙中遥远的部分提供了窗口。清华大学团队在 FASER 探测器的研发、建造、运行和数据分析过程中做了长期的工作，并在本次发现中做出了直接贡献。该发现有望帮助物理学家了解宇宙中最丰富的粒子的本质。
宇宙中的“幽灵粒子”
构成我们现实物质世界的12种最基本的费米子中，有3种是中微子。中微子也是宇宙中数量最多的粒子之一，仅次于光子。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分来自宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米300个。
中微子不带电，质量非常轻(小于电子的百万分之一)，接近光速在运动。它只参与非常微弱的弱相互作用，具有极强的穿透力。此时此刻，数千亿的中微子正穿透你的身体，但你却完全感知不到，它因此获得了“幽灵粒子”的绰号。
构成物质世界 12 种最基本的费米子
就算穿越地球直径那么厚的物质，在 100 亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。这次 FASER 探测器也是人类首次在粒子对撞机中直接探测到中微子。在所有基本粒子中，人们对中微子了解最少。
实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新星爆发、宇宙射线等等。大部分中微子实验位于地下或冰下，并在超纯水或液体闪烁体环境中布置足够体量的探测器。比如中国的大亚湾反应堆中微子实验、锦屏地下中微子实验、日本的超级神冈中微子探测实验和美国在南极的冰立方中微子实验。中国在建的江门中微子实验将建造世界最大规模的中微子探测器，有望解决中微子质量之谜等难题。
在建的江门中微子实验
专为幽灵粒子和暗光子设计的
探测器：FASER
大型强子对撞机（LHC）位于法国和瑞士之间的边界，是日内瓦附近的欧洲核子研究组织（CERN）皇冠上的明珠。从几乎所有方面——资金、人员、物理规模——LHC 都是世界上最大的粒子物理实验。围绕这台超级对撞机有众多探测器针对不同的物理目标而建造，其中最新的探测器之一——FASER（Forward Search Experiment），相比于那些重达数千吨、几层楼高的探测器（如ATLAS、CMS），它是个非常小的探测器，重量只有大约一吨，体积小到能整个放进 CERN 地下的一个小隧道里。
FASER 设计图
FASER 是一个新颖独特的粒子探测器，由国际物理学家联合设计和建造，仅花了几年的时间，并使用了一些来自其他实验的冗余备件以节省成本。它的主要目标是探测非常轻的粒子（featherweight particles），比如中微子、构成暗物质的粒子等。
FASER𝜈 是合作组测量 TeV 能级对撞机中微子的项目，曾于 2021 年首次探测到了来自LHC的高能中微子的候选事例[4]。而在此次分析中。中微子首先和FASER𝜈 探测器作用产生缪子，缪子再被 FASER 电子学硅微条探测器探测到。合作组现有来自全球 22 个合作单位的 80 多名研究人员，专注于研究对撞机产生的中微子等作用微弱的粒子。
除了中微子之外，FASER 的另一个主要目标是寻找构成暗物质的粒子。物理学家认为宇宙中的大部分物质是暗物质，但是暗物质还从未被直接观测到过。尽管 FASER 尚未发现暗物质的迹象，但大型强子对撞机将在几个月内开始新一轮的粒子对撞，如果暗物质出现，FASER 探测器已经做好了随时记录它们的准备。
探测到了一个全新来源的幽灵粒子
“我们从一个全新的来源‘粒子对撞机’中发现了中微子，在那里两束粒子以极高的能量撞击在一起形成中微子。”FASER 合作组联合发言人、项目发起者、加州大学欧文分校粒子物理学家冯孝仁说[3]。
FASER 探测到对撞机中微子事件
“我们知道中微子的存在，”FASER 另一位联合发言人、CERN 粒子物理学家杰米·博伊德（Jamie Boyd）说，“它们已经为人所知几十年了，对于建立粒子物理学的标准模型非常重要。但以前，对撞机产生的中微子还从未被实验探测到过。”清华大学高能物理研究中心主任、物理系教授王青认为：“在人类制造的能量最高前沿产生并探测这种幽灵粒子，为基础科学开辟了新的方向。”
“自1956年首次发现核反应堆产生的中微子以来，人类对自然界可能存在的中微子源进行了系统地研究，包括太阳内部的核聚变、高能宇宙线与地球大气的碰撞、地球内部不稳定原子核的衰变、引力塌缩型超新星爆发、伽马射线暴和活动星系核。多种多样的中微子源不仅为探究中微子振荡、中微子质量和轻子味混合提供了必要的平台，也是解决地球内部能量来源、大质量恒星演化规律、超高能宇宙线起源等重要科学问题的独特手段。”中科院高能所研究员李玉峰说，“对撞机中微子是核反应堆和高能质子打靶之外一种全新的人造中微子源，此次 FASER 实验结果填补了人造高能中微子源的空白，对中微子的高能相互作用、核子的内部结构、寻找暗物质粒子和微弱相互作用的新粒子等研究具有重要意义。”
清华大学工程物理系教授、近代物理研究所所长陈少敏认为：“FASER实验利用对撞机观测到统计上如此显著的从几百GeV到几个TeV能量的中微子，把IceCube实验观测到来自宇宙的TeV高能中微子带回到了实验室，不但为研究如此高能的中微子属性提供了机遇，也使得通过高能宇宙线中微子来研究宇宙线起源进一步迈向了精密测量的时代。”
“中微子是大型强子对撞机上那些超大型实验唯一无法直接探测到的已知粒子，因此，FASER 成功观测到中微子，意味着对撞机的物理潜力终于全部得到了利用，”加州大学欧文分校教授、实验物理学家戴夫·卡斯帕（Dave Casper）说。
这次FASER探测到的对撞机中微子位于一个介于固定靶中微子和宇宙中微子之间的新能区，探测到的是缪子型中微子的带电流相互作用。这为我们理解中微子产生机制，质子在small-x区的行为，对撞点前向区物理等打开了一扇门。未来，我们期待FASER对来自对撞机的其它类型中微子的探测，以及对可能的惰性中微子、暗物质粒子等新物理信号的寻找提供线索。
FASER上的清华贡献
2019年3月5日，FASER实验获得了CERN的正式批准并立项，清华大学高能物理研究中心、清华大学物理系副教授陈新、胡震加入了FASER国际合作组，陈新担任团队负责人。团队承担了径迹探测器研发、核乳胶探测器研发、实验数据分析等多项工作。
“清华大学2019年加入FASER，当时正值合作组成立初期。在过去4年中，清华大学的物理学家、博士后和学生们不断为FASER和FASER𝜈探测器的研发、建造和模拟做出贡献，这次用真实LHC数据取得的首个物理结果中，清华大学做出了直接贡献。”冯孝仁评论道。
清华参加 FASER 首届合作组会议[5]
杰米·博伊德认为：“清华组通过在 FASER 径迹探测器和中微子物理分析方面的工作，为 FASER 的第一个物理结果做出了主要贡献。径迹探测器是取得本次新结果的关键部分，也是清华大量参与硬件、调试、校准和运行的领域。清华成员们，特别是知大（Tomohiro），也积极致力于核乳胶探测器里的中微子分析，这正是首个对撞机中微子出现的地方。”
稻田知大在FASER实验现场安装和调试核乳胶探测器
清华大学博士后、水木学者稻田知大（Tomohiro Inada）在本次对撞机中微子发现中的贡献主要包括径迹探测器的调试、运行和数据分析等。合作组文章 “FASER在LHC上首次直接观测到对撞机中微子（First Direct Observation of Collider Neutrinos with FASER at the LHC）”已于3月24日提交至预印本网站arXiv[6]并投稿PRL。
清华物理系 2020 级硕士生王地在径迹探测器多个电子学模块的设计、建造和联和调试中发挥了作用，相关科研成果已于 2022 年发表在 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A上[7]。2019级博士生刘锦枫、逄昊也积极参与了探测器的值班和维护。
FASER实验研究工作得到了国家自然科学基金、清华大学理科发展双E计划科研基金、清华大学自主科研基金、清华大学物理系学科建设经费的支持。
参考文献
[1] https://faser.web.cern.ch/
[2] https://home.cern/news/news/experiments/new-lhc-experiments-enter-uncharted-territory
[3]https://news.uci.edu/2023/03/20/uc-irvine-led-team-is-first-to-detect-neutrinos-made-by-particle-collider/
[4]“First neutrino interaction candidates at the LHC”https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.L091101
[5]https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1053/4115.htm
[6]https://arxiv.org/abs/2303.14185
[7]“The tracking detector of the FASER experiment”https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.166825
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来源 | 物理系 现代物理知识杂志
排版 | 牟蕙
编辑 | 赵姝婧
审核 | 许亮
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