FASER研究团队首次在大型强子对撞实验期间探测到中微子

2021年11月26日 15:11 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

在一项名为 FASER 的实验中,科学家们分析了仪器收集的粒子碰撞过程中产生的中微子信号,希望后续有助于更深入地理解某些关键的物理学特性。据悉,中微子(Neutrinos)是一种呈电中性、极轻、且很少与物质粒子产生相互作用的基本粒子。但也正是因为这种特性,使得“即使很常见”的它们也很难被检测到。

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FASER 粒子探测器(图自:CERN,via UC Irvine

中微子在恒星、超新星和类星体中产生,放射性衰变、宇宙射线和地球大气中的原子相互作用。

事实上,在转瞬之间,就有数十亿计的中微子穿过你我的身体。通俗点,你也可以将它称作“幽灵粒子”(Ghost Particles)。

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研究配图 - 1:探测器的金属板结构

长期以来,人们一直以为像 LHC 这样的粒子加速器,也能够在实验过程中制造出中微子。遗憾的是,此前一直没能找到合适的仪器来探测。

好消息是,FASER 项目在 2018 年试运行期间部署并测试了“正确的仪器”,最终让科学家们发现了六次中微子的相互作用。

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研究配图 - 2:μ 子通量函数

研究合著者 Jonathan Feng 表示:“在该项目之前,我们从未在粒子对撞机上看到过中微子的迹象。随着这项重大的突破,后续我们能够更加深入地了解这些难以捉摸的粒子、及其在宇宙中所扮演的角色”。

实验期间,研究人员将 FASER 仪器部署到了位于粒子碰撞发生地 408 米(1575 英尺)的地方,并以类似胶片摄影的方式来开展记录工作。

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研究配图 - 3:事件投影

FASER 探测器本体由铅 / 钨金属隔板组成,且中间有一层乳剂。一些中微子会撞击到致密金属中的原子核,从而产生其它流行乳液的粒子。

当乳剂层像胶片一样“显影”时,它们留下的痕迹就可以被观察到。在验证了该方法的有效性后,FASER 团队现又准备一系列新实验,并换用一套更大、更灵敏的完整仪器装置。

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研究配图 - 4:中微子信号 / 中性强子背景的 BDT 输入变量的 Monte Carlo 模拟分布

据悉,名为 FASERnu 的完整探测器的重量超过了 1090 公斤(2400 磅),而 FASER 的先行版本仅为 29 公斤(64 磅)。

得益于更高的灵敏度,研究团队不仅可以更频繁地检测中微子,还能够区分它们进入时的三种形态、甚至反中微子。

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研究配图 - 5:带电强子 / μ 子相互作用的 BDT 输入变量

研究合著者 David Casper 表示:“新探测器功能相当强大、且位于欧洲核子研究中心(CERN)的黄金位置,我们希望能够在 LHC 的下一次运行过程中(2022 年开启)开展实验”。

如果一切顺利,FASERnu 有望记录下超过 10000 次的中微子相互作用 —— 同时也意味着对人造来源的能量最高的中微子展开探测。

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研究配图 - 5:中性顶点 BDT 输出观察、拟合数据预期信号 / 背景分布(堆叠)

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《物理评论 D 刊》(Physical Review D)上,原标题为《First neutrino interaction candidates at the LHC》。

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