SND@LHC实验(右)位于大型强子对撞机的侧隧道内，距离更大的ATLAS探测器内质子碰撞点约半公里。图片来源：Maximilien Brice/欧洲核子研究中心

大型强子对撞机的 SND 实验位于输送加速质子的隧道旁边。

为了捕捉超轻、不带电的中微子，科学家们建造了无数庞大的地下探测器阵列。各种实验以核反应堆、太阳内部的聚变反应以及超新星等强大的天体物理现象中产生的中微子为目标。

最近，冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory)——一个嵌在南极洲冰层中的巨大探测器——首次捕捉到了中微子的确凿证据，其能量是源自银河系的太阳中微子的数十亿倍。

《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的两项研究证实，在欧洲核子研究中心(CERN)世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)的实验中，探测到了大约160个中微子。这是首次在对撞机实验中探测到中微子，也是在实验室环境中产生和探测到的中微子的最高能量记录。

加州大学欧文分校的乔纳森·冯(Jonathan Feng)是其中一个探测到中微子的小组的共同发言人，他表示，大型强子对撞机中微子的特性为我们提供了获得新见解的可能，包括更好地理解将夸克结合在一起的力，以及改进对极难探测的陶中微子的测量。

新型中微子观测由大型强子对撞机的两个最新探测器完成。前向搜索实验(FASER)的概念来自冯和三位博士后2017年撰写的一篇论文。他们指出，大型强子对撞机的探测策略存在漏洞——当大型强子对撞机的两束质子射向对方时，ATLAS和CMS等探测器几乎会包围碰撞点。间隙是探测器的开口，允许质子束通过。碰撞中产生的粒子穿过这些空隙，顺着光束管道继续前进，这就是所谓的 "前进方向"。

FASER于去年开始收集数据，其目的是探测这些以前无法计算的粒子，包括不受大型强子对撞机强大转向磁铁影响的中微子。一个装有一吨钨的铝箱位于大型强子对撞机的侧通道中，它可以捕捉到从ATLAS实验碰撞点继续向前的中微子。当中微子与钨原子相互作用时，就会射出一个带电粒子。粒子的身份与产生的三种中微子中的任何一种相对应——介子、电子或陶。

前向搜索实验检测到一些在附近的ATLAS实验中逃避检测的粒子。图片来源:Maximilien Brice/CERN

到目前为止，FASER确认的所有中微子都属于介子和电子类型。该团队希望在未来的实验中探测到陶中微子。探测陶粒子需要源中微子有很大的能量，因为陶粒子的质量大约是介子的17倍，是电子的3500倍。冯表示：“在其他实验中，进入的中微子没有足够的能量，因此实际上无法产生陶粒子。然而，考虑到大型强子对撞机的能量，FASER并没有真正的问题。”

去年，大型强子对撞机的散射和中微子探测器也进行了首次科学运行。与FASER不同，SND@LHC位于稍微偏离碰撞轴的位置。

那不勒斯大学的合作发言人乔瓦尼·德莱利斯表示：“这种定位有利于探测相对较重的粒子，特别是粲夸克衰变中产生的中微子。该合作希望利用中微子测量来更好地理解将粲夸克聚集在一起的强力。”

德莱利斯表示，在大型强子对撞机上进行的测量也将适用于天体物理学。能量超过一万亿电子伏的中微子，与高能宇宙射线和地球大气中的分子碰撞时形成的许多中微子相当。这些碰撞的中间产物是粲夸克，它会衰变并产生中微子。

犹他大学粒子物理学家丹尼斯·索尔丁没有参与大型强子对撞机的研究，他表示，对撞机的实验数据与他在冰立方的工作有关。“我们有大气中产生中微子的背景，这些中微子产生的能量与大型强子对撞机探测器的能量完全相同。”他说道。

拥有大型强子对撞机的测量数据，应该有助于索尔丁和他在冰立方的同事减少中微子背景测量中的不确定性，并专注于产生高能中微子的天体物理来源。

在《物理评论快报》的论文中，FASER团队报告说，他们探测到了大约153个中微子，而SND@LHC合作项目大约有8个。“目前的实验规模太小，无法真正实现它们的全部物理潜力。”阿姆斯特丹自由大学的粒子物理学家胡安·罗霍，他虽然没有参与这项工作，但他表示，即将到来的对大型强子对撞机的高亮度升级，可以让研究小组将中微子探测率提高到每天数千个。

有了足够强大的统计数据，大型强子对撞机的实验就可以观察到超出标准模型的物理现象，有可能给出对暗物质的解释。德莱利斯说：”如果有任何外来粒子一直在向前移动，并逃避检测，那么FASER和SND@LHC就有可能捕捉到它们。“索尔丁也说道：“这是大型强子对撞机一个全新项目的开始，它为研究各种各样的物理学打开了一扇窗。”