由加州大學歐文分校物理學家領導的國際團隊首次探測到由位于瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心大型強子對撞機產生的中微子候選體。
在 2021 年 11 月 24 日發表在《D》雜志上的一篇論文中，研究人員描述了他們如何在 2018 年安裝在大型強子對撞機上的緊湊型乳化探測器試運行期間觀察六個中微子的相互作用。
“在此項目之前，粒子對撞機上從未發現過中微子的跡象，”論文合著者、加州大學歐文分校物理學和天文學杰出教授、FASER 合作項目聯合主任馮說。“這一重大突破是更深入地了解這些難以捉摸的粒子及其在宇宙中的作用的一步。”
馮先生表示，庭審中的調查結果為他的團隊提供了兩條關鍵信息。
FASER 粒子探測器
“首先，它證實了 LHC 的 ATLAS 相互作用點前方的位置是探測對撞機中微子的正確位置，”馮說。“其次，我們的努力證明了使用乳膠探測器觀察此類中微子相互作用的有效性。”
實驗裝置由交替排列的鉛板和鎢板以及乳劑層組成。在大型強子對撞機的粒子碰撞過程中，產生的部分中微子會撞擊致密金屬中的原子核，產生的粒子會穿過乳劑層，并在處理后產生可見的標記。這些標記提供了有關粒子能量、種類（τ子、μ子或電子）以及它們是中微子還是反中微子的線索。
馮教授表示，乳劑的工作方式類似于數碼相機時代之前的攝影。當 35 毫米膠片暴露在光線下時，光子會留下痕跡，這些痕跡在膠片顯影時會以圖案的形式顯示出來。FASER 研究人員在移除并顯影探測器的乳劑層后，同樣可以看到中微子的相互作用。
馮說：“在證明了乳膠探測器方法對于觀察粒子對撞機產生的中微子相互作用的有效性之后，FASER 團隊現在正準備使用更大、更靈敏的完整儀器開展一系列新實驗。”
自 2019 年以來，馮和他的同事一直在準備使用 FASER 儀器在 LHC 上進行暗物質研究實驗。他們希望探測到暗光子，這將使研究人員首次看到暗物質如何通過非引力與宇宙中的正常原子和其他物質相互作用。
FASER 團隊由來自 9 個國家 21 所機構的 76 名物理學家組成，他們在過去幾年中取得了中微子研究方面的成功物理學家探測，現在他們正在將一種新型乳膠探測器與 FASER 儀器整合在一起。實驗探測器重約 64 磅，而儀器重量將超過 2,400 磅，而且反應性更強，能夠區分不同類型的中微子。
“考慮到我們新探測器的強大功能及其在歐洲核子研究中心的優越位置網校頭條，我們預計在 2022 年開始的 LHC 下一次運行中將記錄超過 10,000 次中微子相互作用，”加州大學歐文分校物理學和天文學副教授、FASER 項目聯合負責人 David 表示。“我們將探測到人類有史以來產生的能量最高的中微子。”
他指出，道氏中微子實驗的獨特之處在于，其他實驗只能區分一兩種中微子，而道氏中微子實驗將能夠觀測所有三種中微子，以及它們的反中微子對應物。他說，在人類歷史上，道氏中微子實驗只被觀測過大約 10 次，但他預計他的團隊將能夠在未來三年內將這一數字翻一番或三倍。
馮教授說：“這非常符合加州大學物理系的傳統，因為它繼承了加州大學創始教員的遺產物理學家探測，這位教員因率先發現中微子而獲得了諾貝爾物理學獎。”
“我們在世界頂級粒子物理實驗室中，以創紀錄的速度，利用非常規的光源，進行了一項世界級的實驗。我們非常感謝基金會、日本學術振興會和歐洲核子研究中心的慷慨支持。”