在突破性物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)難以捉摸的中微子候選者

中微子，難以捉摸，難以發(fā)現(xiàn)

中微子，碰撞產(chǎn)生的奇跡

FASER 粒子探測器。 （圖片來源：歐洲核子研究中心CERN）

（* FASER，或前向搜索實(shí)驗(yàn)，旨在搜索輕和極弱相互作用的粒子。）

研究人員有史以來第一次在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心設(shè)施（CERN）中檢測到由大型強(qiáng)子對撞機(jī) (LHC) 產(chǎn)生的候選中微子。

（CERN成員國分布。來自維基百科）

研究人員在一項全新的研究中報告，在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的一項實(shí)驗(yàn)中觀察到了六種中微子的相互作用，該項報告屬于粒子物理學(xué)中的一個重要里程碑。中微子是亞原子粒子，其質(zhì)量像電子一樣非常小，但沒有電荷——這一特性使得它們極難探測。

據(jù)說這些中微子是2018年與歐洲核子研究中心（CERN）前向搜索實(shí)驗(yàn)（FASER）合作的乳劑探測器的首次運(yùn)行期間產(chǎn)生的。

（FASER構(gòu)造。來自O(shè)REGON學(xué)校官網(wǎng)）

“在這個項目之前，從未在粒子對撞機(jī)上看到過中微子的跡象，”合著者、加州大學(xué)歐文分校物理學(xué)和天文學(xué)教授、FASER協(xié)會的共同負(fù)責(zé)人喬納森·馮在一篇文章中說到。 “這一重大突破是朝著更深入地了解這些難以捉摸的粒子及其在宇宙中所扮演的角色邁出的一步?！?/p>

大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）——包括四個主要探測器：ALICE、ATLAS、CMS 和 LHCb——通常通過以接近光速的速度將兩個高能粒子束相互碰撞來工作。當(dāng)帶電粒子，如質(zhì)子，以如此高的速度相互撞擊時，撞擊的能量會變成新粒子或亞原子粒子形式的物質(zhì)。所以大型強(qiáng)子對撞機(jī)基本上可以“產(chǎn)生”亞原子粒子。

在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的這次運(yùn)行中，該團(tuán)隊正在使用一種新的乳劑檢測儀進(jìn)行試點(diǎn)測試。該儀器由密集的鉛和鎢金屬板組成，散布著一層乳劑。馮在聲明中解釋說，在物理學(xué)中乳劑板或?qū)优c老式的電影膠片很類似。當(dāng)電影膠片暴露在光線下時，光子會隨著膠片的顯影而顯示為圖像。同樣，使用該儀器，當(dāng)暴露于粒子碰撞時，乳劑層在處理后顯示出中微子相互作用。

在這次測試中，粒子間的碰撞產(chǎn)生了中微子，然后在金屬板的致密金屬中撞擊成原子核。 測試結(jié)果顯示，由此產(chǎn)生的粒子穿過乳劑層并留下了可觀察到的“印記”。

馮分享說，報告的中微子相互作用測試揭示了兩個主要問題。

“首先，它驗(yàn)證了大型強(qiáng)子對撞機(jī)中探測器ATLAS 相互作用點(diǎn)在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劑檢測儀觀察這些中微子相互作用的有效性?！?/p>

（ATLAS內(nèi)部構(gòu)造。來自ATLAS官網(wǎng)）

這只是一項雄心勃勃的探索中微子相互作用并繼續(xù)探索亞原子粒子奇異世界的開始，共同作者、FASER 項目聯(lián)合負(fù)責(zé)人兼 UCI 副教授大衛(wèi)卡斯珀在同一份聲明中說。

“鑒于我們新探測器的強(qiáng)大功能及其在歐洲核子研究中心（CERN）的主要位置，我們預(yù)計從 2022 年開始，在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的下一次運(yùn)行中能夠記錄超過10,000次中微子相互作用，”卡斯珀說。 “我們將探測到有史以來從人造源產(chǎn)生的能量最高的中微子?！?/p>

FASER團(tuán)隊也有在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）探索暗物質(zhì)的宏偉計劃。他們的聲明稱，該團(tuán)隊正致力于使用FASER儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以嘗試檢測所謂的“暗光子”，科學(xué)家們希望通過這些實(shí)驗(yàn)來揭示暗物質(zhì)的行為和性質(zhì)。

今天（11 月 26 日）發(fā)表在《物理評論 D》雜志上的一篇論文描述了這項工作。

相關(guān)知識

大型強(qiáng)子對撞機(jī)是一座位于瑞士日內(nèi)瓦近郊?xì)W洲核子研究組織的對撞型粒子加速器，作為國際高能物理學(xué)研究之用。LHC已經(jīng)建造完成，2008年9月10日開始試運(yùn)轉(zhuǎn)，并且成功地維持了兩質(zhì)子束在軌道中運(yùn)行，成為世界上最大的粒子加速器設(shè)施。

歐洲核子研究中心成立于1954年9月29日，總部位于瑞士日內(nèi)瓦西北部郊區(qū)的法瑞邊境上，享有治外法權(quán)。歐洲核子研究中心擁有世界上最大的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也是萬維網(wǎng)的發(fā)源地。CERN目前有23個成員國。以色列是第一個也是目前唯一一個非歐洲成員國。

BY: Chelsea Gohd

FY: 茗。

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