中微子是粒子物理学标准模型所解释的微小且带中性电荷的粒子。虽然它们被估计是宇宙中最丰富的粒子之一，但迄今为止观察它们已被证明极具挑战性，因为它们与其他物质相互作用的可能性很低。

为了探测这些粒子，物理学家一直在使用探测器和先进设备来检查已知的中微子来源。他们的努力最终导致了对源自太阳、宇宙射线、超新星和其他宇宙物体以及粒子加速器和核反应堆的中微子的观测。

该研究领域的一个长期目标是观察对撞机(两束粒子在粒子加速器中相互碰撞)内的中微子。两个大型研究合作项目，即FASER(前向搜索实验)和SND(散射和中微子探测器)@LHC，使用位于瑞士CERN大型强子对撞机(LHC)的探测器首次观测到这些对撞中微子。他们的两项研究结果最近发表在《物理评论快报》上。

SND@LHC合作组织成员CristovaoVilela告诉Phys.org：“大型强子对撞机等质子对撞机中会产生非常丰富的中微子。”“然而，到目前为止，这些中微子从未被直接观察到。中微子与其他粒子的非常弱的相互作用使得它们的检测非常具有挑战性，因此它们是粒子物理标准模型中研究最少的粒子。”

FASER和SND@LHC合作是两项不同的研究工作，均利用CERN的LHC。最近，这两项工作独立观测到了第一个对撞中微子，这可能为实验粒子物理研究开辟重要的新途径。

FASER合作是一项大型研究工作，旨在观察光和弱相互作用粒子。FASER是第一个在大型强子对撞机上观察中微子的研究小组，使用FASER探测器，该探测器位于距离著名的ATLAS实验超过400m的一个单独的隧道中。FASER(和SND@LHC)观察LHC内与ATLAS相同的“相互作用区域”产生的中微子。

FASER合作组织联合发言人JonathanLeeFeng告诉Phys.org：“粒子对撞机已经存在了50多年，并且已经检测到了除中微子之外的所有已知粒子。”“与此同时，每次从新来源发现中微子，无论是核反应堆、太阳、地球还是超新星，我们都会学到一些关于宇宙的极其重要的知识。作为我们最近工作的一部分，我们首次着手探测粒子对撞机产生的中微子。”

FASER合作团队通过将探测器沿着光束线放置，跟随中微子的轨迹来观察对撞中微子。众所周知，高能中微子主要是在这个地点产生的，但大型强子对撞机的其他探测器在这个方向上有盲点，因此过去无法观测到它们。

Feng解释说：“由于这些中微子具有高通量和高能量，这使得它们更有可能相互作用，因此我们能够使用在很短的时间内建造的非常小、廉价的探测器检测到其中的153个中微子。”“以前，粒子物理学被认为分为两个部分：高能实验，需要研究重粒子，如顶夸克和希格斯玻色子，以及高强度实验，需要研究中微子。这项工作表明，高能实验还可以研究中微子，因此汇集了高能和高强度前沿。”

Feng和FASER合作的其他成员检测到的中微子具有实验室环境中有史以来记录的最高能量。因此，它们可以为深入研究中微子的特性以及寻找其他难以捉摸的粒子铺平道路。

CERN大型强子对撞机的一部分(左)和新实验SND@LHC(右)。中微子产生于LHC的一个碰撞点，隐藏在加速器的曲率后面，并在穿过大约100米的岩石和混凝土后在SND@LHC探测器中相互作用。图片来源：马克西米连·布里斯;SND@LHC合作。

在FASER报告首次观测到对撞中微子后不久，SND@LHC合作完成了分析，大型强子对撞机中还有八个涉及中微子的事件。SND@LHC实验是专门为探测中微子而建立的，使用了一个长度为两米的探测器，该探测器战略性地放置在LHC中中微子通量较高的一个地点，但通过大约100米的混凝土屏蔽了质子碰撞碎片和摇滚。

维莱拉解释说：“即使具有战略定位，碰撞中产生的最高能量μ子到达我们探测器的速度比中微子相互作用高数千万倍。”“这些μ子在与我们实验周围的材料相互作用时产生中性强子，进而在探测器中产生与中微子类似的信号。克服这种背景是分析中最大的挑战，分析利用了独特的模式与强子簇射相关的μ子轨道，并且没有带电粒子进入探测器来识别中微子相互作用。”

作为他们最近研究的一部分，SND@LHC合作分析了他们的探测器在2022年7月至11月期间收集的数据，这是其第一个运行周期。第一次数据收集运行非常成功，该团队最终记录了交付给他们的95%的碰撞数据，并最终观察到了对撞中微子事件。

“对撞中微子的观察为新的测量打开了大门，这将帮助我们理解粒子物理标准模型的一些更基本的难题，例如为什么存在三代物质粒子(费米子)似乎是精确的副本除了质量之外，在所有方面都彼此相似，”维莱拉说。“此外，我们的探测器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了解碰撞质子的结构。”

FASER和SND@LHC合作的这些最新研究对正在进行的实验粒子物理研究做出了重大贡献，并可能很快为该领域的进一步突破铺平道路。既然大型强子对撞机中中微子的存在已经得到证实，这两个实验将继续收集数据，可能会带来更有意义的观测结果。

Feng补充道：“我们将运行FASER探测器很多年，并预计收集至少10倍的数据。”“一个特别令人兴奋的事实是，这一初步发现仅使用了探测器的一部分。在未来几年中，我们将能够利用FASER的全部功能来详细绘制这些高能中微子相互作用。此外，我们正在致力于前向物理设施，一项在大型强子对撞机上建造一个新的地下洞穴的提议，这将使我们能够探测到数百万个高能中微子，并寻找毫带电粒子和与暗物质相关的其他现象。”

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