物理学家有史以来第一次在大型强子对撞机上探测到中微子的迹象

由加州大学欧文分校的物理学家领导的国际前向搜索实验小组,首次探测到大型强子对撞机产生的中微子候选物。

最近,由加州大学欧文分校的物理学家领导的国际前向搜索实验小组,在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心设施中,首次探测到大型强子对撞机产生的中微子候选物。

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物理学家有史以来第一次在大型强子对撞机上探测到中微子的迹象

在2021年11月24日发表在《Physical Review D》杂志上的一篇论文中,研究人员描述了他们如何在2018年安装在LHC上的紧凑型乳液探测器试运行期间观察到六种中微子相互作用。

共同作者、UCI 物理学和天文学杰出教授、FASER 合作的联合负责人乔纳森·冯表示,在该项目之前,从未在粒子对撞机上看到中微子的迹象。 这一重大突破是朝着更深入了解这些难以捉摸的粒子及其在宇宙中所扮演的角色迈出的一步。

乔纳森·冯说,在试点期间的发现为他的团队提供了两条重要信息。首先,它验证了LHC处ATLAS相互作用点前方的位置是检测对撞机中微子的正确位置。其次,我们的努力证明了使用乳液探测器观察这些中微子相互作用的有效性。

试验仪器由铅板和钨板组成,中间有一层乳剂。在大型强子对撞机的粒子碰撞过程中,一些中微子撞击致密金属中的原子核,产生穿过乳剂层的粒子,并在处理后产生可见的痕迹。这些蚀刻提供了关于粒子能量、它们的味道——tau、介子或电子——以及它们是中微子还是反中微子的线索。

据乔纳森·冯说,乳剂的运作方式类似于前数码相机时代的摄影。当35毫米胶片暴露在光线下时,光子会留下痕迹,在胶片显影时显示为图案。FASER研究人员在去除和显影探测器的乳剂层后同样能够看到中微子的相互作用。

乔纳森·冯表示,在验证了乳液探测器方法在观察粒子对撞机产生的中微子相互作用方面的有效性之后,FASER团队现在正在准备一系列新的实验,使用一个更大、更灵敏的完整仪器。

自2019年以来,他和他的同事们一直在准备用FASER仪器进行实验,以研究LHC的暗物质。他们希望探测暗光子,这将使研究人员第一次看到暗物质如何通过非引力与普通原子和宇宙中的其他物质相互作用。

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物理学家有史以来第一次在大型强子对撞机上探测到中微子的迹象

随着过去几年中微子工作的成功,FASER团队(由来自9个国家的21个机构的76名物理学家组成)正在将新的乳液检测器与FASER设备相结合。虽然先导探测器重约64磅,但FASERnu仪器将超过2,400磅,而且反应性更强,能够区分中微子种类。

共同作者、FASER项目合作者大卫·卡斯帕(UCI物理与天文学的领导者和副教授)表示,鉴于我们新探测器的强大功能及其在欧洲核子研究中心的优越位置,我们预计从2022年开始的LHC下一次运行中能够记录超过10,000次中微子相互作用,我们将探测到由人造来源产生的能量最高的中微子。

卡斯帕表示,FASERnu的独特之处在于,虽然其他实验已经能够区分一种或两种中微子,但它将能够观察到所有三种口味以及它们的反中微子对应物。在人类历史上只有大约10次观察到tau中微子,但他预计他的团队在未来三年内能够将这个数字增加一倍或三倍。

乔纳森·冯说,这是对 UCI 物理系传统的一个非常好的搭档,因为它延续了弗雷德里克·雷恩斯的遗产,他是UCI创始教员,因第一个发现中微子的人。

卡斯帕说,我们在创纪录的时间内用非常非传统的来源在世界首屈一指的粒子物理实验室进行了世界一流的实验。我们非常感谢Heising-Simons基金会和Simons基金会,以及日本科学促进会和欧洲核子研究中心的慷慨支持。

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