SND@LHC實驗(右)位于大型強子對撞機的側隧道內，距離更大的ATLAS探測器內質子碰撞點約半公里。圖片來源：Maximilien Brice/歐洲核子研究中心

大型強子對撞機的 SND 實驗位于輸送加速質子的隧道旁邊。

為了捕捉超輕、不帶電的中微子，科學家們建造了無數龐大的地下探測器陣列。各種實驗以核反應堆、太陽內部的聚變反應以及超新星等強大的天體物理現象中產生的中微子為目標。

最近，冰立方中微子天文臺(IceCube Neutrino Observatory)——一個嵌在南極洲冰層中的巨大探測器——首次捕捉到了中微子的確鑿證據，其能量是源自銀河系的太陽中微子的數十億倍。

《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的兩項研究證實，在歐洲核子研究中心(CERN)世界上最強大的粒子加速器——大型強子對撞機(LHC)的實驗中，探測到了大約160個中微子。這是首次在對撞機實驗中探測到中微子，也是在實驗室環境中產生和探測到的中微子的最高能量記錄。

加州大學歐文分校的喬納森·馮(Jonathan Feng)是其中一個探測到中微子的小組的共同發言人，他表示，大型強子對撞機中微子的特性為我們提供了獲得新見解的可能，包括更好地理解將夸克結合在一起的力，以及改進對極難探測的陶中微子的測量。

新型中微子觀測由大型強子對撞機的兩個最新探測器完成。前向搜索實驗(FASER)的概念來自馮和三位博士后2017年撰寫的一篇論文。他們指出，大型強子對撞機的探測策略存在漏洞——當大型強子對撞機的兩束質子射向對方時，ATLAS和CMS等探測器幾乎會包圍碰撞點。間隙是探測器的開口，允許質子束通過。碰撞中產生的粒子穿過這些空隙，順著光束管道繼續前進，這就是所謂的 "前進方向"。

FASER于去年開始收集數據，其目的是探測這些以前無法計算的粒子，包括不受大型強子對撞機強大轉向磁鐵影響的中微子。一個裝有一噸鎢的鋁箱位于大型強子對撞機的側通道中，它可以捕捉到從ATLAS實驗碰撞點繼續向前的中微子。當中微子與鎢原子相互作用時，就會射出一個帶電粒子。粒子的身份與產生的三種中微子中的任何一種相對應——介子、電子或陶。

前向搜索實驗檢測到一些在附近的ATLAS實驗中逃避檢測的粒子。圖片來源:Maximilien Brice/CERN

到目前為止，FASER確認的所有中微子都屬于介子和電子類型。該團隊希望在未來的實驗中探測到陶中微子。探測陶粒子需要源中微子有很大的能量，因為陶粒子的質量大約是介子的17倍，是電子的3500倍。馮表示：“在其他實驗中，進入的中微子沒有足夠的能量，因此實際上無法產生陶粒子。然而，考慮到大型強子對撞機的能量，FASER并沒有真正的問題。”

去年，大型強子對撞機的散射和中微子探測器也進行了首次科學運行。與FASER不同，SND@LHC位于稍微偏離碰撞軸的位置。

那不勒斯大學的合作發言人喬瓦尼·德萊利斯表示：“這種定位有利于探測相對較重的粒子，特別是粲夸克衰變中產生的中微子。該合作希望利用中微子測量來更好地理解將粲夸克聚集在一起的強力。”

德萊利斯表示，在大型強子對撞機上進行的測量也將適用于天體物理學。能量超過一萬億電子伏的中微子，與高能宇宙射線和地球大氣中的分子碰撞時形成的許多中微子相當。這些碰撞的中間產物是粲夸克，它會衰變并產生中微子。

猶他大學粒子物理學家丹尼斯·索爾丁沒有參與大型強子對撞機的研究，他表示，對撞機的實驗數據與他在冰立方的工作有關。“我們有大氣中產生中微子的背景，這些中微子產生的能量與大型強子對撞機探測器的能量完全相同。”他說道。

擁有大型強子對撞機的測量數據，應該有助于索爾丁和他在冰立方的同事減少中微子背景測量中的不確定性，并專注于產生高能中微子的天體物理來源。

在《物理評論快報》的論文中，FASER團隊報告說，他們探測到了大約153個中微子，而SND@LHC合作項目大約有8個。“目前的實驗規模太小，無法真正實現它們的全部物理潛力。”阿姆斯特丹自由大學的粒子物理學家胡安·羅霍，他雖然沒有參與這項工作，但他表示，即將到來的對大型強子對撞機的高亮度升級，可以讓研究小組將中微子探測率提高到每天數千個。

有了足夠強大的統計數據，大型強子對撞機的實驗就可以觀察到超出標準模型的物理現象，有可能給出對暗物質的解釋。德萊利斯說：”如果有任何外來粒子一直在向前移動，并逃避檢測，那么FASER和SND@LHC就有可能捕捉到它們。“索爾丁也說道：“這是大型強子對撞機一個全新項目的開始，它為研究各種各樣的物理學打開了一扇窗。”