科学前沿观天下 笃学明理洞寰宇
中微子是组成自然界的基本粒子之一，遍布我们的周围。在整个宇宙空间，宇宙大爆炸残余的中微子多达330个/立方厘米，每秒钟有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体。宇宙线轰击大气、超新星爆炸、岩石的天然放射以及大多数核过程都会产生中微子，然而人类历史上观察到中微子的次数只有大约10次。2021年11月24日，加州大学欧文分校的研究人员报道，在大型强子对撞机 (LHC) 上的紧凑型乳液探测器试运行期间探测到六种中微子相互作用，结果发表于《物理评论 D》。
顾名思义，中微子不带电荷，质量几乎为零，其显著特点就是几乎不与物质相互作用，因而穿透能力极强。对中微子来说，宇宙基本是无形的，故又被称为幽灵粒子，使得中微子的探测非常困难。乳液检测器FASERnu由铅板和钨板组成，中间涂有一层乳剂。中微子与致密金属中的原子核撞击后，产生穿过乳剂层的粒子，在乳剂层中留下痕迹。通过分析粒子轨迹，可以确定粒子能量、类型以及它们是中微子还是反中微子。
中微子有三种类型，电子中微子、μ中微子和τ中微子，每种中微子都有与其相对应的反物质，不同中微子之间可以相互转换，即中微子振荡。2018年FASERnu 试运行期间，乳液层中记录了六个中微子相互作用的痕迹。虽然相较于大型强子对撞机一次运行产生的粒子数量来说，六个中微子的发现并不多，但具有重要意义的是，这次发现提供了两条重要信息：首先验证了检测对撞机中微子的正确位置，其次证明了使用乳液探测器探测中微子相互作用的有效性。
FASERnu探测器是一个相对较小的约29公斤的装置，在验证了其探测粒子对撞机产生的中微子的有效性后，目前研究团队正在开发大约 1100公斤的更大、更灵敏的新探测器，以便能区分不同中微子和其对应物反中微子。预计2022年开始的LHC下一次运行中将产生2000亿个电子中微子、6万亿个μ中微子和 90亿个tau中微子，鉴于新探测器的强大功能，能够记录更多的中微子相互作用，将探测到人为产生的能量最高的中微子。
这是首次在粒子对撞机上看到中微子的迹象，为研究这些神秘粒子开辟了一条新的途径，朝着更深入了解这些幽灵粒子及其在宇宙中的作用迈出了里程碑式的一步。
参考文献：First neutrino interaction candidates at the LHC，Phys. Rev. D, 104, L091101.
责编：朱张航宇