FASER 测量高能中微子相互作用强度

FASER 实验自 2022 年起在 CERN 的大型强子对撞机 (LHC) 上运行，旨在寻找相互作用极弱的粒子。标准模型之外的许多理论都预测了这种粒子，这些理论试图解决物理学中的突出问题，例如暗物质的性质和宇宙中的物质与反物质的不平衡。

该实验的另一个目标是研究大型强子对撞机碰撞中产生的高能中微子的相互作用，这些粒子在四大大型强子对撞机实验中几乎不可能检测到。上周，在年度 Rencontres de Moriond 会议上，FASER 合作提出了电子中微子 (ν e ) 和μ 中微子(ν μ ) 相互作用强度或“横截面”的测量方法。

这是首次在粒子对撞机上进行此类测量。这种测量可以为物理学的不同方面提供重要的见解，从了解大型强子对撞机碰撞中“前向”粒子的产生并提高我们对质子结构的理解，到解释由天体物理来源进行的高能中微子的测量中微子望远镜实验。

FASER位于LHC加速器的侧隧道内，距ATLAS探测器碰撞点480米。在那个位置，大型强子对撞机光束已经距离近 10 米，在 27 公里的圆形路径上弯曲。这是研究大型强子对撞机碰撞中产生的弱相互作用粒子的独特场所。

碰撞中产生的带电粒子被大型强子对撞机磁铁偏转。大多数中性粒子都会被 FASER 和 ATLAS 之间数百米的岩石阻挡。只有中微子等相互作用非常弱的中性粒子预计会继续直线前进并到达探测器安装的位置。

中微子与物质相互作用的概率很小，但不为零。 FASER 敏感的相互作用类型是中微子与探测器内的质子或中子相互作用。在这种相互作用中，中微子转变为同族的带电“轻子”——在 ν e的情况下是电子，在 ν μ的情况下是 μ 子——这在探测器中是可见的。如果中微子的能量很高，碰撞中还会产生一些其他粒子。

用于执行测量的检测器由 730 个交错的钨板和照相乳剂板组成。该乳液在2022年7月26日至9月13日期间被曝光，然后进行化学显影和分析以寻找带电粒子轨迹。

通过寻找可以追溯到单个顶点的轨迹簇来识别中微子相互作用的候选者。然后必须将这些轨道之一识别为高能电子或μ介子。

总共发现了ν e相互作用的四种候选者和 ν μ相互作用的八种候选者。四个候选 ν e代表了对对撞机产生的电子中微子的首次直接观察。观测结果可以解释为中微子相互作用截面的测量，在 ν e和 (0.5 ± 0.2) × 10 -38 cm 2 GeV的情况下，产生 (1.2 +0.9 -0.8 ) × 10 -38 cm 2 GeV -1在 ν μ的情况下为 -1。

中微子的能量被发现在 500 至 1700 GeV 之间。此前，对于 ν e能量高于 300 GeV 的中微子相互作用截面，以及对于 ν μ能量在 400 GeV 至 6 TeV 之间的中微子相互作用截面，尚未进行过测量。

FASER 获得的结果发布到arXiv预印本服务器上，与预期一致，并证明了 FASER 在大型强子对撞机上进行中微子截面测量的能力。借助 LHC Run 3 的完整数据，将检测到 200 倍以上的中微子事件，从而实现更精确的测量。