大型强子对撞机之所以出名,是因为它能够揭示难以捉摸的亚原子粒子。但是有一类粒子它从未直接探测到过,尽管它大量产生了它们。中微子,微小的基本粒子,与物质的相互作用非常小,以至于它们在不被注意的情况下穿过粒子加速器的大型探测器(SN:4/8/21)。
现在,在概念验证实验中,LHC中微子相互作用的第一个证据已经被发现,研究人员与FASER合作报告于5月13日在arXiv.org上发布。该技术可以为中微子打开一个窗口,了解其粒子相互作用知之甚少的能量。
这是第一次看到粒子对撞机中产生的中微子,粒子对撞机是一种将粒子束粉碎在一起的粒子加速器。物理学家通过将一束粒子撞击静止目标而不是在碰撞中检测到来自粒子加速器的中微子。在粒子碰撞中寻找中微子使科学家能够探测更高的能量,但这也使中微子更难研究。
为了捕捉中微子的相互作用,研究人员使用了一个探测器,其中包含类似于摄影胶片中使用的胶片。当带电粒子穿过胶片时,它会在其所在位置留下轨迹标记。不带电荷的中微子不会在探测器中留下痕迹。但是当中微子与探测器内部的物质相互作用时,它会产生一股带电粒子,这些粒子指向中微子作为它们的来源。
研究人员将他们的探测器放在中微子从大型强子对撞机ATLAS探测器中的粒子碰撞向前发射时穿过的区域。在估计有多少检测可能是由于其他可以模仿中微子的粒子造成的之后,研究人员报告说他们捕获了大约六种中微子相互作用。
位于日内瓦附近的大型强子对撞机自2018年以来一直关闭进行升级。该实验在关闭前不久进行,作为未来实验FASERν的试运行,该实验将在大型强子对撞机于2022年重启时启动。FASERν预计在2022年至2024年的下一个大型强子对撞机运行期间将探测到大约10,000个中微子。
使用FASERν,研究人员将测量中微子的横截面,这是衡量粒子与物质相互作用的可能性的指标。这对于能够对中微子进行其他测量非常重要。例如,科学家可以通过在地球上探测来了解爆炸恒星和其他宇宙源中高能中微子的产生。但要确定此类中微子有多普遍,科学家需要知道这些中微子与探测器相互作用的可能性有多大。
横截面取决于粒子的能量,在大型强子对撞机上,“我们可以研究我们没有研究过的能量范围,”日本福冈九州大学的粒子物理学家TomokoAriga说,他是FASER合作的成员。
在大型强子对撞机上发现中微子并不奇怪。“这不是惊天动地的结果,”多伦多约克大学和诺伊州巴达维亚费米实验室的粒子物理学家DeborahHarris说,她没有参与这项研究。相反,它表明在大型强子对撞机上检测中微子是可能的。“这个想法并不完全疯狂,”她说。