由美加州大學歐文分校的物理學家領導的國際Forward Search Experiment團隊首次實現了對瑞士日內瓦附近歐洲核子研究中心設施的大型強子對撞機產生的中微子候選人的探測。
在2021年11月24日發表在《Physical Review D》雜誌上的一篇論文中，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一個緊湊型乳化液探測器的試運行期間觀察到六個中微子的相互作用。
“在這個項目之前，從來沒有在粒子對撞機上看到過中微子的跡象，”論文共同作者、UCI物理學和天文學特聘教授、FASER合作項目的共同負責人Jonathan Feng說道，“這一重大突破是朝着更深入地了解這些難以捉摸的粒子及其在宇宙中的作用邁出的一步。”
Feng表示，試驗期間的發現給了他的團隊兩個關鍵的信息。
FASER粒子檢測器
“首先，它驗證了LHC的ATLAS交互點前方的位置是探測對撞機中微子的正確位置，”Feng說道，“其次，我們的努力證明了使用乳化液探測器來觀察這些類型的中微子相互作用的有效性。”
試驗儀器是由鉛和鎢板與乳劑層交替組成的。在大型強子對撞機的粒子對撞過程中，產生的一些中微子會砸入緻密金屬中的原子核、產生的粒子會穿過乳劑層並在處理后產生可見的痕迹。這些刻痕提供了關於粒子能量、它們的種類–陶氏、μ子或電子–以及它們是中微子還是反中微子的線索。
據Feng介紹稱，乳劑的運作方式類似於前數碼相機時代的攝影。當35毫米膠片被暴露在光線下時光子會留下痕迹，當膠片被沖洗時這些痕迹會顯示為圖案。FASER的研究人員同樣能在移除和沖洗探測器的乳劑層之後看到中微子的相互作用。
Feng說道：“在驗證了乳劑探測器方法對於觀察粒子對撞機產生的中微子的相互作用的有效性之後，FASER團隊現在正準備用一個更大、更靈敏的完整儀器進行一系列新的實驗。”
自2019年以來，Feng及其同事們一直在準備利用FASER儀器進行一項實驗以調查LHC的暗物質。他們希望能探測到暗光子，這將使研究人員首次看到暗物質如何通過非引力跟正常原子和宇宙中的其他物質相互作用。
隨着他們在過去幾年裡中微子工作的成功，FASER團隊–由來自9個國家21個機構的76名物理學家組成–正在將一個新乳劑探測器跟FASER儀器相結合。試驗探測器重約64磅，而FASERnu儀器將超過2400磅，並且它的反應性更強切能夠區分中微子的種類。
FASER項目的共同負責人、UCI物理學和天文學副教授David Casper表示：“鑒於我們新探測器的威力和它在歐洲核子研究中心的主要位置，我們預計在2022年開始的大型強子對撞機的下一次運行中能記錄超過10,000次中微子相互作用。我們將探測到有史以來由人類產生的最高能量的中微子。”
Casper指出，FASERnu的獨特之處在於，雖然其他實驗能區分一種或兩種中微子，但它將能觀察到所有三種口味的中微子以及它們的反中微子對應物。Casper表示，在整個人類歷史上只有約10次對陶氏中微子的觀測，但他預計他的團隊將能在未來三年內將這一數字提高一倍或兩倍。
“這對UCI物理系的傳統來說是一個非常好的配合，因為它是在繼承Frederick Reines的遺產，他是UCI的創始教師，因第一個發現中微子而獲得諾貝爾物理學獎，”Feng說道。
“我們在世界首要的粒子物理實驗室用創紀錄的時間和非常非傳統的來源製作了一個世界級的實驗。我們對Heising-Simons基金會和Simons基金會以及日本科學促進會和歐洲核子研究中心的慷慨支持表示極大的感謝，”Casper最後說道。