在一項名為 FASER 的實驗中，科學家們分析了儀器收集的粒子碰撞過程中產生的中微子信號，希望后續有助于更深入地理解某些關鍵的物理學特性。據悉，中微子(Neutrinos)是一種呈電中性、極輕、且很少與物質粒子產生相互作用的基本粒子。但也正是因為這種特性，使得“即使很常見”的它們也很難被檢測到。

FASER 粒子探測器(圖自：CERN，via UC Irvine)

中微子在恒星、超新星和類星體中產生，放射性衰變、宇宙射線和地球大氣中的原子相互作用。

事實上，在轉瞬之間，就有數十億計的中微子穿過你我的身體。通俗點，你也可以將它稱作“幽靈粒子”(Ghost Particles)。

研究配圖 - 1：探測器的金屬板結構

長期以來，人們一直以為像 LHC 這樣的粒子加速器，也能夠在實驗過程中制造出中微子。遺憾的是，此前一直沒能找到合適的儀器來探測。

好消息是，FASER 項目在 2018 年試運行期間部署并測試了“正確的儀器”，最終讓科學家們發現了六次中微子的相互作用。

研究配圖 - 2：μ 子通量函數

研究合著者 Jonathan Feng 表示：“在該項目之前，我們從未在粒子對撞機上看到過中微子的跡象。隨著這項重大的突破，后續我們能夠更加深入地了解這些難以捉摸的粒子、及其在宇宙中所扮演的角色”。

實驗期間，研究人員將 FASER 儀器部署到了位于粒子碰撞發生地 408 米(1575 英尺)的地方，并以類似膠片攝影的方式來開展記錄工作。

研究配圖 - 3：事件投影

FASER 探測器本體由鉛 / 鎢金屬隔板組成，且中間有一層乳劑。一些中微子會撞擊到致密金屬中的原子核，從而產生其它流行乳液的粒子。

當乳劑層像膠片一樣“顯影”時，它們留下的痕跡就可以被觀察到。在驗證了該方法的有效性后，FASER 團隊現又準備一系列新實驗，并換用一套更大、更靈敏的完整儀器裝置。

研究配圖 - 4：中微子信號 / 中性強子背景的 BDT 輸入變量的 Monte Carlo 模擬分布

據悉，名為 FASERnu 的完整探測器的重量超過了 1090 公斤(2400 磅)，而 FASER 的先行版本僅為 29 公斤(64 磅)。

得益于更高的靈敏度，研究團隊不僅可以更頻繁地檢測中微子，還能夠區分它們進入時的三種形態、甚至反中微子。

研究配圖 - 5：帶電強子 / μ 子相互作用的 BDT 輸入變量

研究合著者 David Casper 表示：“新探測器功能相當強大、且位于歐洲核子研究中心(CERN)的黃金位置，我們希望能夠在 LHC 的下一次運行過程中(2022 年開啟)開展實驗”。

如果一切順利，FASERnu 有望記錄下超過 10000 次的中微子相互作用 —— 同時也意味著對人造來源的能量最高的中微子展開探測。

研究配圖 - 5：中性頂點 BDT 輸出觀察、擬合數據預期信號 / 背景分布(堆疊)

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《物理評論 D 刊》(Physical Review D)上，原標題為《First neutrino interaction candidates at the LHC》。