FASER实验首次直接探测到对撞机产生的中微子，清华团队作出重要贡献——该发现有望帮助物理学家了解宇宙中最丰富的粒子的本质

清华物理系 清华物理系 2023-03-27 13:11 发表于北京

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2023年3月19日，欧洲核子中心（CERN）的FASER合作组[1]报告首次探测到由粒子对撞机产生的中微子（一种亚原子粒子）[2]。这一发现有望加深科学家对1956年首次发现的中微子性质的理解。中微子是宇宙中最丰富的粒子，也是恒星燃烧的关键参与者。该研究也可涵盖来自宇宙中的中微子，它们经过长距离传播后与地球碰撞，为人们了解宇宙中遥远的部分提供了窗口。清华大学在FASER探测器的研发、建造和运行过程中做了长期贡献，并在本次发现中做出了直接贡献。

“我们从一个全新的来源‘粒子对撞机’中发现了中微子，在那里两束粒子以极高的能量撞击在一起形成中微子。”FASER合作组联合发言人、项目发起者、加州大学欧文分校粒子物理学家乔纳森·冯（Jonathan Feng）说[3]。合作组现有来自全球22个合作单位的80多名研究人员。

“我们知道中微子的存在，”FASER另一位联合发言人、CERN粒子物理学家杰米·博伊德（Jamie Boyd）说，“它们已经为人所知几十年了，对于建立粒子物理学的标准模型非常重要。但以前，对撞机产生的中微子还从未被实验探测到过。”

清华大学高能物理研究中心主任、物理系教授王青认为：“在人类制造的能量最高前沿产生并探测这种幽灵粒子，为基础科学开辟了新的方向。”

清华FASER团队负责人、物理系副教授陈新评论道：“这次FASER探测到的对撞机中微子位于一个介于固定靶中微子和宇宙中微子之间的新能区，探测到的是缪子型中微子的带电流相互作用。这为我们理解中微子产生机制，质子在small-x区的行为，对撞点前向区物理等打开了一扇门。未来，我们期待FASER对来自对撞机的其它类型中微子的探测，以及对可能的惰性中微子、暗物质粒子等新物理信号的寻找提供线索。”

图1：FASER探测到对撞机中微子事件

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自从1956年发现中微子至今，物理学家所研究的大多数是低能的中微子，但是FASER探测到的是实验室能产生的最高能的中微子，其能量与外太空粒子进入大气层引发剧烈粒子簇射时产生的中微子类似。这些非常高能的中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观测结果非常重要。

FASER（Forward Search Experiment）是一个由国际物理学家联合设计和建造，安装在瑞士日内瓦欧洲核子中心的粒子探测器，它可以探测到大型强子对撞机（LHC）产生的粒子。与那些重达数千吨、几层楼高的探测器（如ATLAS、CMS）相比，FASER的重量小到只有大约一吨，体积小到能整个放进CERN地下的一个小隧道里。它是一个全新、独特的粒子探测器，其设计和建造仅花了几年的时间，并使用了一些来自其他实验的冗余备件以节省成本。FASER𝜈是合作组测量TeV能级对撞机中微子的项目，曾于2021年首次探测到了来自LHC的高能中微子的候选事例[4]。

“中微子是大型强子对撞机上那些超大型实验唯一无法直接探测到的已知粒子，因此，FASER成功观测到中微子，意味着对撞机的物理潜力终于全部得到了利用，”加州大学欧文分校教授、实验物理学家戴夫·卡斯帕（Dave Casper）说。

除了中微子之外，FASER的另一个主要目标是寻找构成暗物质的粒子。物理学家认为宇宙中的大部分物质是暗物质，但是暗物质还从未被直接观测到过。尽管FASER尚未发现暗物质的迹象，但大型强子对撞机将在几个月内开始新一轮的粒子对撞，如果暗物质出现，FASER探测器已经做好了随时记录它们的准备。

“清华大学2019年加入FASER，当时正值合作组成立初期。在过去4年中，清华大学的物理学家、博士后和学生们不断为FASER和FASER𝜈探测器的研发、建造和模拟做出贡献，这次用真实LHC数据取得的首个物理结果中，清华大学做出了直接贡献。”乔纳森·冯评论道。

图2：清华参加FASER首届合作组会议[5]

杰米·博伊德认为：“清华组通过在FASER径迹探测器和中微子物理分析方面的工作，为FASER的第一个物理结果做出了主要贡献。径迹探测器是取得本次新结果的关键部分，也是清华大量参与硬件、调试、校准和运行的领域。清华成员们，特别是知大（Tomohiro），也积极致力于核乳胶探测器里的中微子分析，这正是首个对撞机中微子出现的地方。

2019年3月5日，FASER实验获得了CERN的正式批准并立项，清华大学高能物理研究中心、清华大学物理系副教授陈新、胡震加入了FASER国际合作组，陈新担任负责人。团队承担了径迹探测器研发、核乳胶探测器研发、实验数据分析等多项工作。

课题组博士后、清华大学水木学者稻田知大（Tomohiro Inada）在本次对撞机中微子发现中做出了重要贡献，主要包括径迹探测器的调试、运行和数据分析等。合作组文章 “FASER在LHC上首次直接观测到对撞机中微子（First Direct Observation of Collider Neutrinos with FASER at the LHC）”已于3月24日提交至预印本网站arXiv[6]并投稿PRL。物理系2020级硕士生王地在径迹探测器多个电子学模块的设计、建造和联和调试中发挥了关键作用，相关科研成果已于2022年发表在Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A上[7]。物理系博士后张登峰，2016级博士生张刚，2019级博士生刘锦枫、逄昊也积极参与了探测器的值班和维护。FASER实验研究工作得到了国家自然科学基金、清华大学理科发展双E计划科研基金、清华大学自主科研基金、清华大学物理系学科建设经费的支持。