清華新聞網(wǎng)7月17日電 近日，在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上的研究中，F(xiàn)ASER（ForwArd Search ExpeRiment，前向搜尋實(shí)驗(yàn)）在前所未有的能區(qū)測量了中微子反應(yīng)率。清華大學(xué)在FASER實(shí)驗(yàn)搭建和運(yùn)行過程中做了長期的工作，并在本研究所使用的核乳膠探測器的制作和數(shù)據(jù)分析中作出了重要貢獻(xiàn)。
FASER已于2023年探測到了對撞機(jī)產(chǎn)生的繆子中微子，能量在千億到萬億電子伏之間，引起了物理學(xué)界的關(guān)注。但是，該能區(qū)中微子與其他粒子的相互作用尚未得到詳細(xì)的研究，其反應(yīng)截面也還沒有被測量過。
圖1.中微子反應(yīng)截面的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，F(xiàn)ASER實(shí)驗(yàn)（紅色）填補(bǔ)了空白能區(qū)
因此，本研究中，F(xiàn)ASER在此能區(qū)首次測量了繆子中微子反應(yīng)截面、電子中微子反應(yīng)截面。如圖1所示，以往的加速器或天體中微子實(shí)驗(yàn)（灰色陰影部分），僅能測量幾千億電子伏之下或幾萬億電子伏之上的截面，而FASER今年的新實(shí)驗(yàn)結(jié)果（紅色部分）填補(bǔ)了它們之間的空白能區(qū)。
清華大學(xué)物理系鄒冰松院士表示，很高興看到FASER合作組在高能加速器中微子實(shí)驗(yàn)方面取得可喜進(jìn)展，這對于未來開展中微子自身性質(zhì)以及強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的研究都有重要的意義。希望通過未來FASER探測器的不斷升級改進(jìn)，為基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域帶來新的突破。
圖2.人類探測到的能量最高的人造中微子（1.5萬億電子伏）
研究團(tuán)隊(duì)通過分析核乳膠探測器采集的數(shù)據(jù)，探測到了4個(gè)電子中微子候選者的帶電流反應(yīng)，統(tǒng)計(jì)顯著度超過5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（達(dá)到了粒子物理學(xué)中新發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)），其中1個(gè)的能量高達(dá)1.5萬億電子伏（1.5 TeV），是迄今為止人類探測到的能量最高的人造中微子（圖2）。
清華大學(xué)高能物理研究中心主任、物理系王青教授認(rèn)為，在人類制造的能量最高前沿產(chǎn)生并探測這種幽靈粒子，為基礎(chǔ)科學(xué)開辟了新的方向。
FASER實(shí)驗(yàn)鑒別和測量這些難以捕獲的“幽靈粒子”，將有助于深入理解電弱相互作用和質(zhì)子內(nèi)部的夸克膠子結(jié)構(gòu)，并能幫助回答宇宙中正反物質(zhì)不對稱等問題。
2019年3月5日，F(xiàn)ASER實(shí)驗(yàn)獲得了歐洲核子研究組織（CERN）的正式批準(zhǔn)并立項(xiàng)，清華大學(xué)物理系副教授陳新、胡震加入了FASER國際合作組，陳新?lián)呜?fù)責(zé)人。團(tuán)隊(duì)參加了徑跡探測器研發(fā)、核乳膠探測器研發(fā)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等多項(xiàng)工作。
圖3.王雨瀟在顯影室里對核乳膠膠片顯影（左）；張順亮在膠片和掃描鏡頭之間填充透明硅酮油介質(zhì)，以排除空氣對掃描結(jié)果造成的干擾（右）
7月11日，該研究成果以“首次用FASER乳化探測器在大強(qiáng)子對撞機(jī)上測量????和????相互作用截面”（First Measurement of ???? and ???? Interaction Cross Sections at the LHC with FASER’s Emulsion Detector）為題，發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。期刊將其選為編輯推薦（Editors’ Suggestion）和物理精選（Featured in Physics），并撰寫了編輯概述（Synopsis）文章“首次直接探測到對撞機(jī)上的電子中微子”（First Direct Detection of Electron Neutrinos at a Particle Collider）。
本研究中，清華大學(xué)物理系已出站博士后稻田知大（Tomohiro Inada）在探測4個(gè)電子中微子事件，特別是建立輕子鑒別方法中作出重要貢獻(xiàn)。清華大學(xué)物理系2022級博士生王雨瀟、張順亮為核乳膠探測器的建造和分析作出貢獻(xiàn)（圖3為他們在瑞士、日本參加核乳膠探測器的膠片制作、顯影、掃描等工作）。目前他們正致力于用測試束流來改進(jìn)輕子鑒別方法。清華大學(xué)物理系2023屆碩士畢業(yè)生王地曾在徑跡探測器多個(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。2024屆博士畢業(yè)生逄昊、2019級博士生劉錦楓參與了探測器的準(zhǔn)直、值班和調(diào)試等工作。
清華團(tuán)隊(duì)的FASER實(shí)驗(yàn)研究工作得到了國家自然科學(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)自主科研計(jì)劃和篤實(shí)專項(xiàng)、清華大學(xué)物理系學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。
附錄：FASER實(shí)驗(yàn)簡介
在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上，兩束質(zhì)子在約27公里的環(huán)形束流管內(nèi)，加速到接近光速并對撞，產(chǎn)生物理學(xué)家感興趣的粒子。粒子探測器像“球殼”一樣包住對撞點(diǎn)，記錄撞出的新粒子。然而，束流管會(huì)穿過“球殼”，如同在上面挖了洞，形成了探測器難以覆蓋的盲區(qū)。質(zhì)量輕、能量高的粒子（如中微子、暗光子等）更傾向于沿束流管方向（被稱為“前向”）飛行，會(huì)從盲區(qū)逃逸出去。而FASER（ForwArd Search ExpeRiment，前向搜尋實(shí)驗(yàn)）正是一個(gè)建造在盲區(qū)方向的、專門用于探測這些逃逸粒子的實(shí)驗(yàn)。它離對撞點(diǎn)約480米，由于距離遠(yuǎn)，成功的避開了被束流管占據(jù)的位置。FASER前端有一個(gè)專門用于研究中微子的子探測器FASER??，由近千層核乳膠片和鎢板交替疊成，可以區(qū)分3類不同的中微子并測量它們的性質(zhì)。詳見劉錦楓等發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》的綜述文章。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.021802
相關(guān)鏈接：
https://www.chiba-u.jp/news/research-collab/post_442.html
http://navo.top/Y3QZVz
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：王曉霞
