由加州大學(xué)歐文分校物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)首次探測到由位于瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)產(chǎn)生的中微子候選體。
在 2021 年 11 月 24 日發(fā)表在《D》雜志上的一篇論文中，研究人員描述了他們?nèi)绾卧?2018 年安裝在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上的緊湊型乳化探測器試運(yùn)行期間觀察六個中微子的相互作用。
“在此項(xiàng)目之前，粒子對撞機(jī)上從未發(fā)現(xiàn)過中微子的跡象，”論文合著者、加州大學(xué)歐文分校物理學(xué)和天文學(xué)杰出教授、FASER 合作項(xiàng)目聯(lián)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(diào)查結(jié)果為他的團(tuán)隊(duì)提供了兩條關(guān)鍵信息。
FASER 粒子探測器
“首先，它證實(shí)了 LHC 的 ATLAS 相互作用點(diǎn)前方的位置是探測對撞機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置由交替排列的鉛板和鎢板以及乳劑層組成。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的粒子碰撞過程中，產(chǎn)生的部分中微子會撞擊致密金屬中的原子核，產(chǎn)生的粒子會穿過乳劑層，并在處理后產(chǎn)生可見的標(biāo)記。這些標(biāo)記提供了有關(guān)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(shù)碼相機(jī)時代之前的攝影。當(dāng) 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(jī)產(chǎn)生的中微子相互作用的有效性之后，F(xiàn)ASER 團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正準(zhǔn)備使用更大、更靈敏的完整儀器開展一系列新實(shí)驗(yàn)。”
自 2019 年以來，馮和他的同事一直在準(zhǔn)備使用 FASER 儀器在 LHC 上進(jìn)行暗物質(zhì)研究實(shí)驗(yàn)。他們希望探測到暗光子，這將使研究人員首次看到暗物質(zhì)如何通過非引力與宇宙中的正常原子和其他物質(zhì)相互作用。
FASER 團(tuán)隊(duì)由來自 9 個國家 21 所機(jī)構(gòu)的 76 名物理學(xué)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(xué)家探測，現(xiàn)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(shí)驗(yàn)探測器重約 64 磅，而儀器重量將超過 2,400 磅，而且反應(yīng)性更強(qiáng)，能夠區(qū)分不同類型的中微子。
“考慮到我們新探測器的強(qiáng)大功能及其在歐洲核子研究中心的優(yōu)越位置網(wǎng)校頭條，我們預(yù)計(jì)在 2022 年開始的 LHC 下一次運(yùn)行中將記錄超過 10,000 次中微子相互作用，”加州大學(xué)歐文分校物理學(xué)和天文學(xué)副教授、FASER 項(xiàng)目聯(lián)合負(fù)責(zé)人 David 表示。“我們將探測到人類有史以來產(chǎn)生的能量最高的中微子。”
他指出，道氏中微子實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特之處在于，其他實(shí)驗(yàn)只能區(qū)分一兩種中微子，而道氏中微子實(shí)驗(yàn)將能夠觀測所有三種中微子，以及它們的反中微子對應(yīng)物。他說，在人類歷史上，道氏中微子實(shí)驗(yàn)只被觀測過大約 10 次，但他預(yù)計(jì)他的團(tuán)隊(duì)將能夠在未來三年內(nèi)將這一數(shù)字翻一番或三倍。
馮教授說：“這非常符合加州大學(xué)物理系的傳統(tǒng)，因?yàn)樗^承了加州大學(xué)創(chuàng)始教員的遺產(chǎn)物理學(xué)家探測，這位教員因率先發(fā)現(xiàn)中微子而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。”
“我們在世界頂級粒子物理實(shí)驗(yàn)室中，以創(chuàng)紀(jì)錄的速度，利用非常規(guī)的光源，進(jìn)行了一項(xiàng)世界級的實(shí)驗(yàn)。我們非常感謝基金會、日本學(xué)術(shù)振興會和歐洲核子研究中心的慷慨支持。”