伯尔尼大学高能物理实验室的研究人员组成的团队利用欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)成功测量了前所未有的高能中微子的相互作用率。这项研究发表在《物理评论快报》上。

更好地理解这些难以捉摸的基本粒子有助于回答为什么宇宙中的物质比反物质多的问题。

中微子是宇宙早期发挥重要作用的基本粒子。它们是进一步了解自然基本定律的关键，包括粒子如何获得质量以及为什么物质比反物质多。

尽管它们是宇宙中最丰富的粒子之一，但由于它们几乎不与物质发生相互作用，因此很难被探测到。因此它们通常被称为“幽灵粒子”。

中微子已被人们认识了几十年，并且对于建立粒子物理学的标准模型非常重要。然而，迄今为止物理学家研究的大多数中微子都是在专门建造的设施中产生的低能中微子。

FASER国际合作组织包括来自伯尔尼大学高能物理实验室(LHEP)的研究人员，成功测量了电子中微子和μ子中微子(中微子的两种亚型)与迄今为止最高能量(1太电子伏特或TeV)原子核的相互作用率。

此次测量是使用FASER实验的FASERν探测器进行的，该探测器用于测量欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)中粒子碰撞产生的中微子。值得注意的是，这是LHC实验中首次观测到电子中微子。

粒子物理学家、伯尔尼大学高能物理实验室(LHEP)FASER小组负责人AkitakaAriga表示：“这一研究结果意义重大，因为研究如此高能量的中微子可以让我们更深入地了解自然的基本规律，研究罕见过程，甚至可能发现新的物理现象。”

最先进的前向检测技术

FASERnu中微子探测器用于观测大型强子对撞机中质子-质子碰撞产生的高能中微子。它位于距离碰撞点480米的地下，由多层交替排列的钨板(密度堪比黄金)和乳剂膜组成，能够以纳米精度探测粒子轨迹。

这台重达1.1公吨、技术先进的探测器自2022年开始运行。“在这项研究中，我们分析了FASERν探测器在2022年获得的部分数据，这相当于迄今为止收集的总数据的2%，因此我们还有很长的路要走，”领导FASERnu项目的Ariga解释道。

高能中微子是新物理学的关键吗?

在FASER实验中，未来几年探测到的中微子数量将增加一百倍，以解决三种中微子亚型之间的差异以及可能存在的未知力问题。第三种亚型τ中微子在低能量下难以产生和探测。

Ariga表示：“FASER实验的高能量使得我们能够更有效地生成和研究tau中微子。人们对这些中微子知之甚少，它们可以提供新的物理见解。”FASER实验将继续收集数据，直到2025年底。

未来的实验，例如后续实验FASERν2，预计将收集超过10,000倍的数据，以显著扩大这些研究。发现以前未知的力量或新粒子对于回答诸如“为什么宇宙主要由物质组成，只有很少的反物质?”或“什么是暗物质?”等问题至关重要。

“也许我们会利用高能中微子发现‘未知的物理学’，”Ariga说。

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