探索物理學的黑暗事務:大型強子對撞機進入未知領域
在大型強子對撞機上首次觀測到的對撞機中微子為探索新的物理學方案創造了條件。儘管中微子在大型強子對撞機(LHC)的對撞中大量產生,但直到現在還沒有檢測到以這種方式產生的中微子。
FASER合作組織在其測量活動中首次觀測到了在大型強子對撞機(LHC)上產生的中微子,其統計意義超過了粒子物理學中的發現門檻。該觀測包括μ介子中微子和電子中微子的候選事件。此外,該合作項目還展示了對暗光子的搜索結果,這使得由暗物質激發的區域被排除在外。FASER旨在收集更多的數據,以便進行更多的搜索和中微子測量。在大型強子對撞機上對質子對撞產生的中微子進行探測,可以促進對來自天體物理源的高能中微子的研究,並檢驗不同中微子種類的相互作用機制的普遍性。
在大型強子對撞機第3次運行和測量活動開始後的短短9個月內,FASER合作組織改變了這一局面,在今年的莫里昂會議的弱電會議上宣布了它對對撞機中微子的首次觀測。特別是,FASER觀察到μ介子中微子和電子中微子的候選事件。
FASER的聯合發言人傑米-博伊德解釋說:”我們的統計意義大約是16西格瑪,遠遠超過了5西格瑪,這是粒子物理學中發現的門檻。”
除了在粒子對撞機上對中微子的觀測外,FASER還展示了對暗光子的搜索結果。通過一個空的結果,該合作項目能夠對以前未曾探索過的參數空間設定限制,並開始排除由暗物質激發的區域。FASER的目標是在未來幾年內收集多達10倍的數據,以便進行更多的搜索和中微子測量。

FASER(頂部)和SND@LHC (底部)探測器。資料來源:CERN
FASER是位於ATLAS洞穴兩側的兩個新實驗之一,用於探測ATLAS中質子對撞產生的中微子。補充實驗SND@LHC也在Moriond報告了它的第一個結果,顯示了八個μ介子中微子候選事件。”我們仍在努力評估對背景的系統不確定性。作為一個非常初步的結果,我們的觀測可以在5西格瑪的水平上,” SND@LHC發言人Giovanni De Lellis補充說。SND@LHC探測器被安裝在LHC隧道中,正好趕上LHC Run 3運行階段的開始。
到目前為止,中微子實驗只研究來自太空、地球、核反應堆或固定目標實驗的中微子。雖然天體物理學的中微子能量很高,比如那些可以被南極的冰立方實驗檢測到的中微子,但太陽和反應堆的中微子通常能量較低。固定目標實驗的中微子,如歐洲核子研究中心北區和前西區的中微子,其能量區域最高為幾百千兆電子伏(GeV)。FASER和SND@LHC將縮小固定目標中微子與天體物理中微子之間的差距,覆蓋更高的能量範圍–幾百GeV到幾TeV之間。
研究人員正在參與的未探索的物理學課題是研究來自天體物理源的高能中微子。事實上,LHC中微子的產生機制,以及它們的質心能量,與宇宙射線與大氣碰撞產生的超高能中微子是一樣的。那些”大氣層”中微子構成了觀測天體物理中微子的背景:FASER和SND@LHC的測量可以用來精確估計該背景,從而為觀測天體物理中微子舖平道路。
這些搜索的另一個應用是測量所有三種類型中微子的產生率。這些實驗將通過測量由同一類型的母粒子產生的不同中微子種類的比率來檢驗其相互作用機制的普遍性。這將是對標準模型在中微子領域的一個重要測試。