終於抓到幽靈粒子!大型強子對撞機首次檢測到微中子殘跡

作者 | 發布日期 2021 年 11 月 29 日 16:49 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


被喻為幽靈粒子、可能是現在唯一一種已探測到的暗物質:微中子,歷經多年終於出現在大型強子對撞機的實驗數據中!

微中子(Neutrino)是一種電中性、極輕且很少與其他粒子相互作用的基本粒子,也因此儘管微中子數量可能非常多──事實上現在就有數十億個微中子流過你的身體,也因為它們不與一般物質互動而很難檢測到,所以科學家又稱微中子為幽靈粒子。

在宇宙中,微中子可經由恆星、超新星、類星體、放射性衰變、宇宙射線與地球/太陽大氣原子相互作用等多種途徑產生,比如宇宙射線穿過太陽大氣時,會與原子核交互作用產生次級粒子簇,進而產生可在地球偵測到的伽馬射線(γ ray)和微中子。

然而若沒有極度精密的儀器,微中子就算出現了也會神不知鬼不覺地溜走,為了捕捉這些神秘粒子,物理學家這些年一直在建造或升級粒子碰撞設備,比如準備投入使用的深層地底微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE)、超巨型神岡探測器(Hyper-Kamiokande,縮寫 HK)、精密冰立方微中子觀測站下一代升級(PINGU),或是 2018 年安裝在大型強子對撞機上名為 FASER 的新實驗。

▲ FASER 實驗儀器布局。(Source:FASER 合作, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons)

FASER(ForwArd Search ExpeRiment)是大型強子對撞機(LHC)旗下 8 個粒子物理實驗其中之一,旨在尋找尚未發現的光弱相互作用粒子如:暗光子、軸子、惰性微中子等,由於 LHC 內質子束高速碰撞可導致各種味的高能微中子在管內大量穿梭而過,FASER 專用的子探測器 FASERnu 便嘗試在運行期間記錄上萬個微中子,預期能看到最多的是核靶與濤微中子、電微中子相互作用,以及對緲微中子相互作用的速率進行超精確測量。

現在,FASER 實驗宣布大型強子對撞機首次觀測到微中子相互作用訊號。

科學家表示,FASER 的工作方式有點像底片攝影,探測器由鉛板和鎢板組成並藉一層乳膠隔開,當微中子撞擊緻密金屬中的原子核並產生其他粒子流過乳膠時,它們留下的痕跡便會像底片一樣 「顯影」。這一次,研究團隊就在實驗數據中發現了 6 個微中子相互作用的痕跡。

過去,我們從未在粒子對撞機上看到微中子半點跡象,此次實驗重大突破將幫助科學家更深入了解難以捉摸的幽靈粒子,同時也驗證 FASER 實驗地點是檢測微中子的正確位置。

隨著實驗成功,FASER 團隊現在正在準備一系列更大、更靈敏、名為 FASERnu 的完整儀器,它將重達 1,090 公斤,不只有機會捕捉更多微中子,還能區別它們的 3 種味以及反微中子。

新論文發表在《物理評論 D》(Physical Review D)期刊。

(首圖來源:CERN

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