FASER已于2023年探测到了对撞机产生的缪子中微子，能量在千亿到万亿电子伏之间，引起了物理学界的关注。但是，该能区中微子与其他粒子的相互浸染尚未得到详细的研究，其反应截面也还没有被丈量过。
图1.中微子反应截面的实验丈量结果，FASER实验（赤色）补充了空缺能区
因此，本研究中，FASER在此能区首次丈量了缪子中微子反应截面、电子中微子反应截面。如图1所示，以往的加速器或天体中微子实验（灰色阴影部分），仅能丈量几千亿电子伏之下或几万亿电子伏之上的截面，而FASER今年的新实验结果（赤色部分）补充了它们之间的空缺能区。
清华大学物理系邹冰松院士表示，很高兴看到FASER互助组在高能加速器中微子实验方面取得可喜进展，这对付未来开展中微子自身性子以及强子构造的研究都有主要的意义。希望通过未来FASER探测器的不断升级改进，为根本物理学领域带来新的打破。
图2.人类探测到的能量最高的人造中微子（1.5万亿电子伏）
研究团队通过剖析核乳胶探测器采集的数据，探测到了4个电子中微子候选者的带电流反应，统计显著度超过5个标准差（达到了粒子物理学中新创造的标准），个中1个的能量高达1.5万亿电子伏（1.5 TeV），是迄今为止人类探测到的能量最高的人造中微子（图2）。
清华大学高能物理研究中央主任、物理系王青教授认为，在人类制造的能量最高前沿产生并探测这种幽灵粒子，为根本科学开辟了新的方向。
FASER实验鉴别和丈量这些难以捕获的“幽灵粒子”，将有助于深入理解电弱相互浸染和质子内部的夸克胶子构造，并能帮助回答宇宙中正反物质不对称等问题。
2019年3月5日，FASER实验得到了欧洲核子研究组织（CERN）的正式批准并立项，清华大学物理系副教授陈新、胡震加入了FASER国际互助组，陈新担当卖力人。团队参加了径迹探测器研发、核乳胶探测器研发、实验数据剖析等多项事情。
图3.王雨潇在显影室里对核乳胶胶片显影（左）；张顺亮在胶片和扫描镜头之间添补透明硅酮油介质（右）
7月11日，该研究成果以“首次用FASER乳化探测器在大强子对撞机上丈量和相互浸染截面”（First Measurement of and Interaction Cross Sections at the LHC with FASER’s Emulsion Detector）为题，揭橥在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。期刊将其选为编辑推举（Editors’ Suggestion）和物理精选（Featured in Physics），并撰写了编辑概述（Synopsis）文章“首次直接探测到对撞机上的电子中微子”（First Direct Detection of Electron Neutrinos at a Particle Collider）。
本研究中，清华大学物理系已出站博士后稻田知大（Tomohiro Inada）在探测4个电子中微子事宜，特殊是建立轻子鉴别方法中作出主要贡献。清华大学物理系2022级博士生王雨潇、张顺亮为核乳胶探测器的建造和剖析作出贡献（图3为他们在瑞士、日本参加核乳胶探测器的胶片制作、显影、扫描等事情）。目前他们正致力于用测试束流来改进轻子鉴别方法。清华大学物理系2023届硕士毕业生王地曾在径迹探测器多个电子学模块的设计、建造和联和调试中发挥了浸染。2024届博士毕业生逄昊、2019级博士生刘锦枫参与了探测器的准直、值班和调试等事情。
清华团队的FASER实验研究事情得到了国家自然科学基金、清华大学理科发展双E操持科研基金、清华大学自主科研操持和笃实专项、清华大学物理系学科培植经费的支持。
附录：FASER实验简介
在大型强子对撞机（LHC）上，两束质子在约27公里的环形束流管内，加速到靠近光速并对撞，产生物理学家感兴趣的粒子。粒子探测器像“球壳”一样包住对撞点，记录撞出的新粒子。然而，束流管会穿过“球壳”，犹如在上面挖了洞，形成了探测器难以覆盖的盲区。质量轻、能量高的粒子（如中微子、暗光子等）更方向于沿束流管方向（被称为“前向”）翱翔，会从盲区逃逸出去。而FASER（ForwArd Search ExpeRiment，前向征采实验）正是一个建造在盲区方向的、专门用于探测这些逃逸粒子的实验。它离对撞点约480米，由于间隔远，成功的避开了被束流管霸占的位置。FASER前端有一个专门用于研究中微子的子探测器FASER，由近千层核乳胶片和钨板交替叠成，可以区分3类不同的中微子并丈量它们的性子。详见刘锦枫等揭橥于《科学通报》的综述文章。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.021802
干系链接：
https://www.chiba-u.jp/news/research-collab/post_442.html
http://navo.top/Y3QZVz
供稿：物理系
