终于，“幽灵粒子”撞出来了

中微子概念的提出具有灵光一现的戏剧性，而中微子的发现和基本物理性质的探测则是粒子物理实验学家长期艰苦努力的结果。然而，宇宙线中微子或太阳中微子的产生和探测一直都是被动形式的，而反应堆或固定靶实验产生的中微子的能量相对较低。2023年3月，FASER实验宣布首次在对撞机上直接观测到较高能量的中微子。

撰文 | 陈新、胡震、王青（清华大学物理系）
今年3月，在意大利举行的第57届 Rencontres de Moriond电弱相互作用和统一理论会议上，FASER（Forward Search Experiment）^[1]宣布首次在大型强子对撞机上直接观测到中微子。这对于我们理解中微子的基本属性和粒子天体物理学中的观测结果非常重要。
中微子不带电，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速的速度运动，只参与非常微弱的弱相互作用，具有极强的穿透力。每时每刻，有数以千亿计的中微子流经我们的身体，而我们却毫无感知。因此，中微子获得了“幽灵粒子”的绰号。中微子的检测非常困难，即便是穿越地球直径那么厚的物质，在100亿个中微子中也大约只有一个会与物质发生反应。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和吸收，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，但是我们探测中微子的手段却相当有限。而且，大部分中微子实验都位于地下或冰下，并需要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，日本的超级神冈中微子探测实验，美国的IceCube实验，以及在建的具有两万吨液体闪烁体的中国江门中微子实验站。它们或则是用于探测反应堆中微子，或则是为了捕获宇宙线中微子或太阳中微子的蛛丝马迹。
当然，中微子也可以在欧洲大型强子对撞机LHC上被大量产生，但LHC上四个主要的大型探测器，即ALICE、ATLAS、CMS和LHCb，都不适合探测与粒子束流线平行产生的轻的和相互作用极其微弱的粒子的信号，比如中微子和暗光子（注：暗光子尚未被证实真实存在）。虽然垂直于束流线方向的中微子动量可以被计算得出，但这也只是根据动量守恒原理进行的间接测量。
2019年，一些目光长远的理论学家和在这四个探测器上工作的一批实验学家看到了这一局限性，向欧洲核子研究中心（CERN）提交了建造一个探测超越标准模型的长寿命粒子（LLP）和中微子的小型探测器的建议，并很快获得了批准。这个探测器被命名为FASER，它位于ATLAS前端沿质子束流线切线方向480米远处，用来探测在ATLAS碰撞中心产生的LLP的衰变产物。这种粒子通常质量很轻，跟标准模型粒子耦合强度很小，所以很容易逃脱一般探测器的法眼。如果质量不是太小，它会衰变为轻子或光子对。在它的飞行路径上放上一个探测器，就可以探测到这些LLP粒子的衰变产物，从而证实它的存在。LLP粒子可以是暗光子、类轴子粒子或者具有奇CP宇称的标量粒子。一般来说，沿着束流线切线方向，LLP和中微子的产率最高，也最有希望探测到LLP和中微子。

FASER放置于欧洲核子中心TI12隧道内，这段隧道连接LHC和附近的超级质子同步加速器（SPS）， LLP在ATLAS探测器中产生后，飞行480米直线距离后进入FASER，其沿途的衰变产物将会被FASER探测到。在此过程中，LLP是穿越了10米厚的水泥和90米厚的岩石层之后才到达FASER。标准模型之外的许多模型都预测了LLP粒子的存在。这些模型试图解决物理学中一些大难题，例如暗物质的性质、中微子质量的起源以及物质和反物质在数量上的巨大差别。
图1: TI12隧道内部
图2: 安装在TI12隧道内的FASER
FASER 还包括一个名为 FASERν的子探测器，它专门设计用于探测来自ATLAS对撞中心的中微子。这些中微子所在能区的相互作用尚未得到详细的研究，其反应截面也还没有被测量过。FASER的电子学探测器无法探测到对撞机产生的中微子，因为它缺少足够的靶物质材料来形成中微子与物质之间非常微弱的相互作用。而FASERν由上千块钨吸收板和核乳胶交替构成，可以既作为靶物质又作为探测器来观测中微子与物质的相互作用。2021年，用于验证的FASERν Pilot探测器公布了2018年收集的数据结果，宣布首次探测到了来自对撞机的6.1个中微子候选事例^[2]。
图3:中微子候选事例在核乳胶探测器中的影像
去年，FASER实验与LHC Run 3的运行取数同步启动，在今年3月的 Rencontres de Moriond电弱会议上，FASER宣布首次直接观测到对撞机中微子^{[3, 4, 5]}。特别是，FASER观察到了缪子中微子，和电子中微子的候选事件。“我们的统计显著性约为16倍标准偏差，远超过5倍标准偏差这一可以宣布发现的门槛，”FASER 的联合发言人杰米·博伊德解释道。此次分析中被探测到的中微子首先和FASER𝜈探测器通过带电流作用产生缪子，缪子再被FASER电子学硅微条探测器探测到。FASER 实验使用约几十块硅微条模块进行带电粒子径迹点的探测和重建，这些模块是ATLAS硅探测器的备用模块，经ATLAS合作组同意后直接应用在FASER探测器上。未来，这些超出本底的信号事例将被转换为中微子与物质相互作用的散射横截面积，从而可以和理论计算进行比较。
这次FASER的实验结果也标志着人类首次在粒子对撞机中明确探测到中微子。“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评论道^[6]。另外一个实验 SND@LHC 也报告了它在 Moriond会议的第一个结果，展示了八个缪子中微子候选事件。“我们仍在努力评估背景的系统不确定性。作为一个非常初步的结果，我们的观察结果可以达到5倍标准偏差水平，”SND@LHC 发言人Giovanni De Lellis补充道^[4]。SND@LHC探测器安装在LHC隧道中，也正好赶上LHC Run 3的开始。
到目前为止，中微子实验只研究了来自太阳、超新星爆炸、大气、地球、核反应堆或固定靶实验的中微子。其中，来自外太空天体的中微子能量往往很高，例如南极IceCube实验检测到的中微子的能量可达10 PeV量级；太阳和反应堆产生的电子型中微子能量通常在10 MeV以下；固定靶实验的中微子可以达到几百GeV。FASER实验正好填补了它们之间的空白能区——在几百 GeV 到几 TeV 之间。
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。”^[7]
FASER的研究对于理解天体中微子的大气背景也非常重要。宇宙射线与大气分子和原子的碰撞产生大量中微子背景，这些碰撞转换到入射的高能粒子和被撞粒子的质心参考系的能量与LHC的对撞能量相仿，FASER对这一能区中微子的研究将为天体物理中微子的观测铺平道路。
图4: FASER探测到对撞机中微子事件示意图
在人类制造的能量最高前沿产生并探测幽灵粒子，为基础科学开辟了新的方向。FASER的实验结果为我们理解中微子产生机制，质子中低动量部分子的行为，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，精确测定不同类型中微子事例的比例关系（这将是标准模型在中微子领域的一项重要测试），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合作组现在已有来自全球22个合作单位的80多名研究人员，中国的清华大学是FASER合作组最初成立时的16个创始成员单位之一，为FASER实验的建设、运行和数据分析贡献了力量^[7]。

参考文献

[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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