费米实验室短基线探测器首次探测到中微子
费米国家加速器实验室的短基线近探测器 (SBND) 上的科学家们已经确定了探测器的第一个中微子相互作用。SBND 合作团队已经规划、制作原型并建造该探测器近十年了。经过几个月的精心启动每个探测器子系统，他们期盼的时刻终于到来了。
“探测器并不是每天都能看到第一颗中微子，”SBND 合作项目联合发言人、芝加哥大学物理学副教授戴维·施密茨 (David Schmitz) 表示。“我们为这一刻付出了多年的努力，这第一批数据是我们探索新物理学的一个非常有希望的开端。”
SBND 是费米实验室短基线中微子 (SBN) 计划的最终组成部分，将在解决粒子物理学数十年的谜团中发挥关键作用。SBND 的实现离不开国际合作。该探测器由来自巴西、西班牙、瑞士、英国和美国的 250 名物理学家和工程师共同合作建造。
标准模型是描述宇宙最基本运作方式的最佳理论。它是粒子物理学家用来计算一切的黄金标准，从粒子加速器中的高强度粒子碰撞到非常罕见的衰变。但尽管标准模型是一个经过充分检验的理论，它还是不完整的。在过去 30 年里，多个实验观察到的异常现象可能暗示着一种新型中微子的存在。
中微子是宇宙中第二丰富的粒子。尽管数量如此丰富，但它们却极难研究，因为它们只通过引力和弱核力相互作用，这意味着它们几乎从未出现在探测器中。
中微子有三种类型或性质：μ 子、电子和 τ 子。这些粒子最奇怪的一点或许在于它们会在这些性质之间不断变化，从 μ 子到电子再到 τ 子。
科学家们对于中微子源不同距离处应该存在多少种中微子有着相当清晰的认识。然而，之前的一些中微子实验的观测结果与这些预测不一致。
“这可能意味着中微子种类不止三种，”费米实验室科学家 Anne Schukraft 解释道。“与已知的三种中微子不同，这种新型中微子不会通过弱力相互作用。我们唯一能看到它们的方式是，当 μ 子、电子和 τ 中微子的数量测量值没有像应该的那样相加时。”
费米实验室的短基线中微子计划将搜索中微子振荡并寻找可能指向第四个中微子的证据。SBND 是短基线中微子计划的近探测器，而 2021 年开始收集数据的 ICARUS 是远探测器。同年，第三个探测器 MicroBooNE 完成了与同一中微子光束线的粒子碰撞记录。
费米实验室的短基线中微子计划不同于之前使用加速器产生的中微子的短基线测量，因为它同时具有近探测器和远探测器。SBND 将测量费米实验室光束中产生的中微子，而 ICARUS 将测量可能振荡后的中微子。因此，之前的实验必须对中微子束的原始成分做出假设，而 SBN 计划将明确知道。
“了解先前实验中发现的异常现象是过去 25 年来该领域的一个主要目标，”施密茨说。“SBND 和 ICARUS 的合作将具有卓越的能力来测试这些新中微子的存在。”
除了寻找新的中微子
除了与 ICARUS 一起寻找第四个中微子之外，SBND 本身还有一个令人兴奋的物理项目。
由于距离中微子束如此之近，SBND 每天将观测到 7,000 次中微子相互作用，比任何其他同类探测器都要多。庞大的数据样本将使研究人员能够以前所未有的精度研究中微子相互作用。这些相互作用的物理特性是未来实验的重要组成部分，这些实验将使用液态氩来探测中微子，例如长基线深层地下中微子实验，即 DUNE。
每当中微子与原子核发生碰撞时，相互作用就会使粒子束穿过探测器。物理学家需要考虑相互作用过程中产生的所有粒子，包括可见和不可见的粒子，以推断幽灵中微子的性质。
短基线近探测器观测到的候选 μ 子中微子相互作用。当中微子进入 SBND 并与氩核相互作用时，会产生带电粒子束，探测器会记录下来。然后物理学家可以从这些次级粒子反向推算出中微子相互作用发生的位置。图片来源：SBND 合作
用简单的原子核（如氦和氢）模拟中微子发生的过程相对容易，但 SBND 与许多现代中微子实验一样，使用氩来捕获中微子。氩原子核由 40 个核子组成，这使得与氩的相互作用更加复杂，也更难理解。
“我们将收集比所有之前实验加起来还要多 10 倍的有关中微子如何与氩相互作用的数据，”费米实验室科学家、SBND 联合发言人 Ornella Palamara 说道。“因此，我们所做的分析对 DUNE 也非常重要。”
但中微子并不是 SBND 科学家关注的唯一粒子。由于探测器距离粒子束如此之近，此次合作可能会带来其他惊喜。
舒克拉夫特说：“在标准模型之外，可能存在一些与中微子无关的东西，但它们是探测器能够探测到的光束的副产品。”
标准模型无法解答的最大问题之一是暗物质。尽管 SBND 只对轻粒子敏感，但这些理论上的粒子可以让我们首次看到“暗区”。
“到目前为止，对大质量粒子的‘直接’暗物质搜索还没有发现任何结果，”SBND 物理学联合协调员、爱丁堡大学教授 Andrzej Szelc 表示。“理论家们设计了大量的暗区模型，这些模型可以用于中微子束中产生的轻量级暗粒子，SBND 将能够测试这些模型是否正确。”
这些中微子特征只是 SBND 的一个开始。未来几年，合作团队将继续操作探测器并分析收集到的数百万个中微子相互作用。
“观测到这些第一批中微子是我们多年来一直努力的漫长过程的开始，”帕拉马拉说。“这一刻标志着合作新时代的开始。”
页:
[1]