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FASER研究團隊首次在大型強子對撞實驗期間探測到中微子

FASER研究團隊首次在大型強子對撞實驗期間探測到中微子

2021-11-26 Comments 0 Comment

在一項名為 FASER 的實驗中,科學家們分析了儀器收集的粒子碰撞過程中產生的中微子信號,希望後續有助於更深入地理解某些關鍵的物理學特性。 據悉,中微子(Neutrinos)是一種呈電中性、極輕、且很少與物質粒子產生相互作用的基本粒子。 但也正是因為這種特性,使得”即使很常見”的它們也很難被檢測到。

0.jpg

FASER 粒子探測器(圖自:CERN,via UC Irvine)

中微子在恆星、超新星和類星體中產生,放射性衰變、宇宙射線和地球大氣中的原子相互作用。

事實上,在轉瞬之間,就有數十億計的中微子穿過你我的身體。 通俗點,你也可以將它稱作”幽靈粒子”(Ghost Particles)。

1.png

研究配圖 – 1:探測器的金屬板結構

長期以來,人們一直以為像 LHC 這樣的粒子加速器,也能夠在實驗過程中製造出中微子。 遺憾的是,此前一直沒能找到合適的儀器來探測。

好消息是,FASER 專案在 2018 年試運行期間部署並測試了”正確的儀器”,最終讓科學家們發現了六次中微子的相互作用。

2.png

研究配圖 – 2:μ 子通量函數

研究合著者 Jonathan Feng 表示:「在該專案之前,我們從未在粒子對撞機上看到過中微子的跡象。 隨著這項重大的突破,後續我們能夠更加深入地了解這些難以捉摸的粒子、及其在宇宙中所扮演的角色」。

實驗期間,研究人員將 FASER 儀器部署到了位於粒子碰撞發生地 408 米(1575 英尺)的地方,並以類似膠片攝影的方式來開展記錄工作。

3.png

研究配圖 – 3:事件投影

FASER 探測器本體由鉛 / 鎢金屬隔板組成,且中間有一層乳劑。 一些中微子會撞擊到緻密金屬中的原子核,從而產生其它流行乳液的粒子。

當乳劑層像膠片一樣「顯影」時,它們留下的痕跡就可以被觀察到。 在驗證了該方法的有效性后,FASER 團隊現又準備一系列新實驗,並換用一套更大、更靈敏的完整儀器裝置。

4.png

研究配圖 – 4:中微子信號 / 中性強子背景的 BDT 輸入變數的 Monte Carlo 模擬分佈

據悉,名為FASERnu的完整探測器的重量超過了1090公斤(2400磅),而FASER的先行版本僅為29公斤(64磅)。

得益於更高的靈敏度,研究團隊不僅可以更頻繁地檢測中微子,還能夠區分它們進入時的三種形態、甚至反中微子。

5.png

研究配圖 – 5:帶電強子 / μ 子相互作用的 BDT 輸入變數

研究合著者 David Casper 表示:”新探測器功能相當強大、且位於歐洲核子研究中心(CERN)的黃金位置,我們希望能夠在 LHC 的下一次運行過程中(2022 年開啟)開展實驗”。

如果一切順利,FASERnu 有望記錄下超過 10000 次的中微子相互作用 —— 同時也意味著對人造來源的能量最高的中微子展開探測。

6.png

研究配圖 – 5:中性頂點 BDT 輸出觀察、擬合數據預期信號 / 背景分佈(堆疊)

有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《物理評論 D 刊》(Physical Review D)上,原標題為《First neutrino interaction candidates at the LHC》。

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