中微子是粒子物理学标准模型中描述的一种微小、无电荷的粒子。尽管它们被认为是宇宙中最常见的粒子之一，但由于与其他物质的相互作用极为微弱，观察它们一直是一个巨大的挑战。
为了探测这些粒子，物理学家们利用各种探测器和先进设备，研究已知的中微子来源。经过不懈努力，他们成功观测到了来自太阳、宇宙射线、超新星及其他宇宙现象的中微子，此外还包括粒子加速器和核反应堆产生的中微子。
该领域的一个重要目标是希望在对撞机中直接观察到中微子。两个大型研究项目，FASER（前向搜索实验）和SND（散射和中微子探测器）@LHC，利用位于瑞士的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）进行探测，首次成功观察到了对撞机中微子。这两项研究的成果最近在《物理评论快报》上发表。
“像大型强子对撞机这样的质子对撞机会产生大量中微子，”SND@LHC项目的Cristovao Vilela在接受Phys.org采访时表示。“然而，迄今为止，这些中微子从未被直接观测到。中微子与其他粒子之间的极弱相互作用使得它们的探测变得异常困难，因此它们在粒子物理学标准模型中是研究最少的粒子。”
FASER和SND@LHC是两个独立的研究项目，均利用了欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。最近，这两个团队独立地观察到了首个对撞机中微子，这一发现可能为实验粒子物理学研究开辟新的重要方向。
FASER项目旨在观察光子和弱相互作用粒子。FASER是第一个在大型强子对撞机上观察中微子的研究团队，使用的探测器位于距离著名的ATLAS实验400多米的独立隧道中。FASER（以及SND@LHC）所观测到的中微子源自于大型强子对撞机内部与ATLAS相同的“相互作用区域”。
“粒子对撞机已经存在超过50年，并且已经探测到除了中微子以外的所有已知粒子，”FASER项目的联合发言人Jonathan Lee Feng告诉Phys.org。“与此同时，每当我们从新的来源发现中微子，无论是核反应堆、太阳、地球还是超新星，我们对宇宙的理解都会有重要进展。作为我们最近工作的一个部分，我们首次开始探测粒子对撞机产生的中微子。”
FASER项目通过在光束线沿线放置探测器，追踪中微子的轨迹。已知高能中微子主要在此位置产生，但大型强子对撞机的其他探测器在这个方向上存在盲点，因此过去无法观察到它们。
“由于这些中微子具有高通量和高能量，使得它们更容易发生相互作用，我们能够在短时间内用一个非常小且便宜的探测器探测到153个中微子，”冯解释道。“之前，粒子物理学被认为分为两部分：高能实验，研究重粒子如顶夸克和希格斯玻色子，以及高强度实验，研究中微子。这项工作表明，高能实验也可以研究中微子，从而将高能和高强度的前沿结合在一起。”
冯和FASER团队探测到的中微子是在实验室环境中记录到的最高能量中微子。这为深入研究中微子的性质以及寻找其他难以捉摸的粒子铺平了道路。
在FASER报告首次观察到对撞机中微子后不久，SND@LHC团队也完成了分析，记录到大型强子对撞机中又发生了8起中微子事件。SND@LHC实验专门为探测中微子而设计，使用了一个两米长的探测器，该探测器被战略性地放置在大型强子对撞机中中微子通量较高的区域，但被约100米的混凝土和岩石屏蔽，以防止质子碰撞碎片的干扰。
“即使有了战略定位，碰撞中产生的最高能量μ子到达我们的探测器的速度仍然比中微子的相互作用快数千万倍，”Vilela解释道。“这些μ子在与周围物质相互作用时产生中性强子，而这些强子又在探测器中产生类似中微子的信号。克服这种背景噪声是分析中的最大挑战，我们利用了与强子阵雨相关的μ子轨迹的独特模式，并且没有带电粒子进入探测器来识别中微子相互作用。”
作为最近研究的一部分，SND@LHC团队分析了他们的探测器在2022年7月至11月期间收集的数据，这是他们的第一个运行周期。第一次数据收集运行非常成功，团队最终记录了95%的碰撞数据，并观察到了对撞机中微子事件。
Vilela表示：“对撞机中微子的观测为新的测量打开了一扇门，这将帮助我们理解粒子物理学标准模型中的一些基本谜题，比如为什么存在三代物质粒子（费米子），而它们在所有方面似乎完全相同，除了质量之外。”他补充道：“此外，我们的探测器被放置在大型强子对撞机实验的盲点位置，因此我们的测量也将有助于更好地理解碰撞质子的结构。”
FASER和SND@LHC的最新研究为正在进行的实验粒子物理学研究做出了重要贡献，并可能为该领域的进一步突破铺平道路。随着大型强子对撞机中中微子的存在得到确认，这两个实验将继续收集数据，可能会带来更有意义的观察结果。
“我们将运行FASER探测器多年，并期望收集至少十倍以上的数据，”冯补充道。“一个特别令人兴奋的事实是，这个初步发现仅使用了探测器的一部分。在未来几年里，我们将能够充分利用FASER的能力，精确描绘这些高能中微子相互作用的细节。此外，我们正在研究前方物理设施的提案，这是一项在大型强子对撞机上建造新地下洞穴的计划，这将使我们能够探测到数百万高能中微子，并寻找毫荷粒子及其他与暗物质相关的现象。”
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希望本篇文章《欧洲核子研究中心的大型强子对撞机首次探测到中微子》能对你有所帮助！
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