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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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》。