中微子是粒子物理学的标准模型所描述的微小的、带中性电荷的粒子。虽然它们被认为是宇宙中最丰富的粒子之一，但迄今为止，观察它们被证明是极具挑战性的，因为它们与其他物质相互作用的可能性很低。
为了探测这些粒子，物理学家一直在使用探测器和先进的设备来检查已知的中微子来源。他们的努力最终导致观测到来自太阳、宇宙射线、超新星和其他宇宙物体的中微子，以及粒子加速器和核反应堆。
这一研究领域的一个长期目标是在对撞机(两束粒子相互碰撞的粒子加速器)内观察中微子。两个大型研究合作项目，即FASER(前向搜索实验)和SND(散射和中微子探测器)@LHC，利用位于瑞士欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)的探测器，首次观察到了这些对撞机中微子。他们的两项研究结果最近发表在《物理评论快报》上。
“像大型强子对撞机这样的质子对撞机会产生大量的中微子，”SND@LHC合作项目的Cristovao Vilela告诉Phys.org。“然而，到目前为止，这些中微子从未被直接观察到。中微子与其他粒子之间非常弱的相互作用使得它们的探测非常具有挑战性，正因为如此，它们是粒子物理学标准模型中研究得最少的粒子。”
FASER和SND@LHC合作是两个不同的研究项目，都利用了欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。最近，这两项工作独立地观测到第一个对撞机中微子，这可能会打开实验粒子物理研究的重要新途径。
FASER合作是一项大型研究工作，其目标是观察光和弱相互作用的粒子。FASER是第一个在大型强子对撞机上观察中微子的研究小组，使用的是FASER探测器，它位于距离著名的ATLAS实验400多米远的一个单独的隧道中。FASER(和SND@LHC)观测到的中微子产生于大型强子对撞机内部与ATLAS相同的“相互作用区域”。
“粒子对撞机已经存在了50多年，并且已经检测到除了中微子之外的所有已知粒子，”FASER合作的联合发言人Jonathan Lee Feng告诉Phys.org。“与此同时，每次从一个新的来源发现中微子，无论是核反应堆、太阳、地球还是超新星，我们都对宇宙有了非常重要的了解。作为我们最近工作的一部分，我们首次开始探测粒子对撞机产生的中微子。”
FASER合作项目通过沿着光束线放置探测器，跟踪它们的轨迹来观察对撞机中微子。众所周知，高能中微子主要是在这个位置产生的，但大型强子对撞机的其他探测器在这个方向上有盲点，因此过去无法观察到它们。
“因为这些中微子具有高通量和高能量，这使得它们更有可能相互作用，我们能够在很短的时间内用一个非常小，便宜的探测器探测到153个中微子，”冯解释说。“以前，粒子物理学被认为分为两部分:高能实验，需要研究重粒子，如顶夸克和希格斯玻色子，以及高强度实验，需要研究中微子。这项工作表明，高能实验也可以研究中微子，从而将高能和高强度的前沿结合在一起。”
冯和FASER合作小组的其他成员探测到的中微子是在实验室环境中记录到的最高能量。因此，它们可以为深入研究中微子的性质，以及寻找其他难以捉摸的粒子铺平道路。
在FASER报告首次观察到对撞机中微子后不久，SND@LHC合作完成了分析，在大型强子对撞机中又发生了8起涉及中微子的事件。SND@LHC实验是专门为探测中微子而建立的，使用了一个两米长的探测器，该探测器被战略性地放置在大型强子对撞机中中微子通量高的地方，但被大约100米的混凝土和岩石屏蔽了质子碰撞碎片。
“即使有了它的战略定位，在碰撞中产生的最高能量的μ子到达我们的探测器的速度比中微子的相互作用高数千万倍，”Vilela解释说。“这些μ子在与我们实验周围的物质相互作用时产生中性强子，而这些强子反过来又在探测器中产生类似于中微子的信号。克服这种背景是分析中最大的挑战，它利用了与强子阵雨相关的μ子轨道的独特模式，并且没有带电粒子进入探测器来识别中微子相互作用。”
作为他们最近研究的一部分，SND@LHC合作分析了他们的探测器在2022年7月至11月期间收集的数据，这是它的第一个运行周期。第一次数据收集运行非常成功，因为团队最终记录了95%的碰撞数据，并最终观察到对撞机中微子事件。
Vilela说:“对撞机中微子的观测为新的测量打开了一扇门，它将帮助我们理解粒子物理学标准模型的一些更基本的谜题，比如为什么有三代物质粒子(费米子)，除了它们的质量之外，它们在所有方面似乎都是完全相同的。”“此外，我们的探测器被放置在大型强子对撞机实验的盲点位置。正因为如此，我们的测量也将有助于更好地理解碰撞质子的结构。”
FASER和SND@LHC合作的这些最新研究对正在进行的实验粒子物理研究做出了重大贡献，并可能很快为该领域的进一步突破铺平道路。既然大型强子对撞机中中微子的存在已经得到证实，这两个实验将继续收集数据，可能会带来更有意义的观察结果。
“我们将运行FASER探测器多年，并期望收集至少10倍以上的数据，”冯补充说。“一个特别令人兴奋的事实是，这个最初的发现只使用了探测器的一部分。在未来的几年里，我们将能够利用FASER的全部能力，精确地描绘出这些高能中微子相互作用的细节。此外，我们正在研究前方物理设施，这是一项在大型强子对撞机上建造一个新的地下洞穴的提议，这将使我们能够探测到数百万高能中微子，以及寻找毫荷粒子和其他与暗物质相关的现象。”
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