3月19日，歐洲核子中心（CERN）的FASER合作組報(bào)告首次探測(cè)到由粒子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的中微子（一種亞原子粒子）。這一發(fā)現(xiàn)有望加深科學(xué)家對(duì)1956年首次發(fā)現(xiàn)的中微子性質(zhì)的理解。中微子是宇宙中最豐富的粒子，也是恒星燃燒的關(guān)鍵參與者。該研究也可涵蓋來自宇宙中的中微子，它們經(jīng)過長(zhǎng)距離傳播后與地球碰撞，為人們了解宇宙中遙遠(yuǎn)的部分提供了窗口。清華大學(xué)在FASER探測(cè)器的研發(fā)、建造、運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析過程中做了長(zhǎng)期的工作，并在本次發(fā)現(xiàn)中作出直接貢獻(xiàn)。該發(fā)現(xiàn)有望幫助物理學(xué)家了解宇宙中最豐富的粒子的本質(zhì)。
“我們從一個(gè)全新的來源‘粒子對(duì)撞機(jī)’中發(fā)現(xiàn)了中微子，在那里兩束粒子以極高的能量撞擊在一起形成中微子。”FASER合作組聯(lián)合發(fā)言人、項(xiàng)目發(fā)起者、加州大學(xué)歐文分校粒子物理學(xué)家馮孝仁（Feng XiaoRen）說。合作組現(xiàn)有來自全球22個(gè)合作單位的80多名研究人員。
“我們知道中微子的存在。”FASER合作組另一位聯(lián)合發(fā)言人、CERN粒子物理學(xué)家杰米·博伊德（Jamie Boyd）說，“它們已經(jīng)為人所知幾十年了，對(duì)于建立粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型非常重要。但以前，對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的中微子還從未被實(shí)驗(yàn)探測(cè)到過。”
清華大學(xué)高能物理研究中心主任、物理系教授王青認(rèn)為：“在人類制造的能量最高前沿產(chǎn)生并探測(cè)這種幽靈粒子，為基礎(chǔ)科學(xué)開辟了新的方向。”清華大學(xué)工程物理系教授、近代物理研究所所長(zhǎng)陳少敏認(rèn)為：“FASER實(shí)驗(yàn)利用對(duì)撞機(jī)觀測(cè)到統(tǒng)計(jì)上如此顯著的從幾百GeV到幾個(gè)TeV能量的中微子，把IceCube實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到來自宇宙的TeV高能中微子帶回到了實(shí)驗(yàn)室，不但為研究如此高能的中微子屬性提供了機(jī)遇，也使得通過高能宇宙線中微子來研究宇宙線起源進(jìn)一步邁向了精密測(cè)量的時(shí)代。”
清華FASER團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、物理系副教授陳新評(píng)論道：“這次FASER探測(cè)到的對(duì)撞機(jī)中微子位于一個(gè)介于固定靶中微子和宇宙中微子之間的新能區(qū)，探測(cè)到的是繆子型中微子的帶電流相互作用。這為我們理解中微子產(chǎn)生機(jī)制，質(zhì)子在small-x區(qū)的行為，對(duì)撞點(diǎn)前向區(qū)物理等打開了一扇門。未來，我們期待FASER對(duì)來自對(duì)撞機(jī)的其他類型中微子的探測(cè)，以及對(duì)可能的惰性中微子、暗物質(zhì)粒子等新物理信號(hào)的尋找提供線索。”
FASER探測(cè)到對(duì)撞機(jī)中微子事件
自從1956年發(fā)現(xiàn)中微子至今，物理學(xué)家所研究的大多數(shù)是低能的中微子，但是FASER探測(cè)到的是實(shí)驗(yàn)室能產(chǎn)生的最高能的中微子，其能量與外太空粒子進(jìn)入大氣層引發(fā)劇烈粒子簇射時(shí)產(chǎn)生的中微子類似。這些非常高能的中微子對(duì)于理解粒子天體物理學(xué)中真正令人興奮的觀測(cè)結(jié)果非常重要。
FASER（Forward Search Experiment）是一個(gè)由國(guó)際物理學(xué)家聯(lián)合設(shè)計(jì)和建造，安裝在瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子中心的粒子探測(cè)器，它可以探測(cè)到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）產(chǎn)生的粒子。與那些重達(dá)數(shù)千噸、幾層樓高的探測(cè)器（如ATLAS、CMS）相比，F(xiàn)ASER的重量小到只有大約一噸，體積小到能整個(gè)放進(jìn)CERN地下的一個(gè)小隧道里。它是一個(gè)全新、獨(dú)特的粒子探測(cè)器，其設(shè)計(jì)和建造僅花了幾年的時(shí)間，并使用了一些來自其他實(shí)驗(yàn)的冗余備件以節(jié)省成本。FASERnu是合作組測(cè)量TeV能級(jí)對(duì)撞機(jī)中微子的項(xiàng)目，曾于2021年首次探測(cè)到了來自LHC的高能中微子的候選事例。
“中微子是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上那些超大型實(shí)驗(yàn)唯一無法直接探測(cè)到的已知粒子，因此，F(xiàn)ASER成功觀測(cè)到中微子，意味著對(duì)撞機(jī)的物理潛力終于全部得到了利用。”加州大學(xué)歐文分校教授、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家戴夫·卡斯帕（Dave Casper）說。
除了中微子之外，F(xiàn)ASER的另一個(gè)主要目標(biāo)是尋找構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。物理學(xué)家認(rèn)為宇宙中的大部分物質(zhì)是暗物質(zhì)，但是暗物質(zhì)還從未被直接觀測(cè)到過。盡管FASER尚未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的跡象，但大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將在幾個(gè)月內(nèi)開始新一輪的粒子對(duì)撞，如果暗物質(zhì)出現(xiàn)，F(xiàn)ASER探測(cè)器已經(jīng)做好了隨時(shí)記錄它們的準(zhǔn)備。
“清華大學(xué)2019年加入FASER，當(dāng)時(shí)正值合作組成立初期。在過去4年中，清華大學(xué)的物理學(xué)家、博士后和學(xué)生們不斷為FASER和FASERnu探測(cè)器的研發(fā)、建造和模擬作出貢獻(xiàn)，這次用真實(shí)LHC數(shù)據(jù)取得的首個(gè)物理結(jié)果中，清華大學(xué)作出了直接貢獻(xiàn)。”馮孝仁評(píng)論道。
清華參加FASER首屆合作組會(huì)議
杰米·博伊德認(rèn)為：“清華組通過在FASER徑跡探測(cè)器和中微子物理分析方面的工作，為FASER的第一個(gè)物理結(jié)果作出了主要貢獻(xiàn)。徑跡探測(cè)器是取得本次新結(jié)果的關(guān)鍵部分，也是清華大量參與硬件、調(diào)試、校準(zhǔn)和運(yùn)行的領(lǐng)域。清華成員們，特別是知大（Tomohiro），積極致力于核乳膠探測(cè)器里的中微子分析，這正是首個(gè)對(duì)撞機(jī)中微子出現(xiàn)的地方。”
清華大學(xué)水木學(xué)者稻田知大第一視角拍攝FASER
2019年3月5日，F(xiàn)ASER實(shí)驗(yàn)獲得了CERN的正式批準(zhǔn)并立項(xiàng)，清華大學(xué)高能物理研究中心、清華大學(xué)物理系副教授陳新、胡震加入了FASER國(guó)際合作組，陳新?lián)呜?fù)責(zé)人。團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了徑跡探測(cè)器研發(fā)、核乳膠探測(cè)器研發(fā)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等多項(xiàng)工作。
清華大學(xué)博士后、水木學(xué)者稻田知大（Tomohiro Inada）在本次對(duì)撞機(jī)中微子發(fā)現(xiàn)中的貢獻(xiàn)主要包括徑跡探測(cè)器的調(diào)試、運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析等。合作組文章“FASER在LHC上首次直接觀測(cè)到對(duì)撞機(jī)中微子（First Direct Observation of Collider Neutrinos with FASER at the LHC）”已于3月24日提交至預(yù)印本網(wǎng)站arXiv并投稿PRL。
清華大學(xué)物理系2020級(jí)碩士生王地在徑跡探測(cè)器多個(gè)電子學(xué)模塊的設(shè)計(jì)、建造和聯(lián)和調(diào)試中發(fā)揮了作用，相關(guān)科研成果已于2022年發(fā)表在《核儀器和物理研究方法A》（Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A）上。2019級(jí)博士生劉錦楓、逄昊也積極參與了探測(cè)器的值班和維護(hù)。
FASER實(shí)驗(yàn)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)理科發(fā)展雙E計(jì)劃科研基金、清華大學(xué)自主科研基金、清華大學(xué)物理系學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。
（清華新聞網(wǎng)4月6日電）
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
