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。
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)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。
FASER实验使我们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合作组联合发言人杰米·博伊德解释道。此次分析中被探测到的中微子首先和FASER??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。