科学通报|探测暗物质与中微子的新方向：前向搜寻实验FASER

大型强子对撞机上的FASER实验，瞄准传统探测器难以覆盖的前向盲区，首次直接探测到了对撞机产生的高能中微子，并对暗光子存在的可能性给出了新的限制。清华大学陈新、胡震及其合作者在《科学通报》发表文章，介绍了FASER实验装置及其物理动机，并简要介绍了FASER实验的初步结果。

为什么要建造FASER？

欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）是一个周长约27 km的圆环形粒子加速器，两束质子在束流管内被加速到接近光速，然后在圆环的某些位置交汇并对撞，产生物理学家们感兴趣的粒子。

四个大型粒子探测器（ALICE、ATLAS、CMS和LHCb）分别建在不同的对撞点处，像“球壳”一样包住对撞点，探测对撞出的新粒子。然而，束流管穿过“球壳”时，如同在上面挖了洞，形成了探测器难以覆盖的盲区。对撞产生的质量轻、能量高的粒子更倾向于沿着束流管方向（被称为“前向”）飞行，就会从这些盲区逃逸出去，无法被收集和研究。

FASER （ForwArd Search ExpeRiment） 正是一个建造在ATLAS对撞点处束流方向盲区、专门用于探测前向粒子的实验。

FASER探测器设计图

FASER的物理目标是什么？

前向粒子往往具有较高的能量和较轻的质量，如π介子、中微子等。而对撞机产生的高能中微子，在FASER之前尚未被直接探测到过，所以FASER的一项重要物理目标就是寻找和研究对撞机中微子。

除了上述标准模型框架下的已知粒子，更吸引人之处在于，一些超出标准模型的理论预言的新粒子也具有较轻的质量，更倾向于飞往前向，其中有不少与暗物质相关，如暗光子等。所以，FASER的另一项重要物理目标就是寻找暗物质。

被束流管占据的前向，如何能修建探测器？

FASER实验的巧思从选址就开始体现。实验装置被安放在沿着LHC圆环切线，距ATLAS对撞点约480 m处，由于距离远，成功地避开了束流管，而且大多数来自对撞点的本底会被途中约百米的岩层充分阻挡。这个位置在地面以下约80 m，上方的岩层也极大削弱了宇宙线本底。

FASER实验选址

实际上，FASER离对撞点远，反而对某些暗物质的探测有独特的优势。暗物质模型中一个重要的分支是长寿命暗物质粒子。FASER与对撞点之间超长的距离使得短寿命粒子在抵达FASER前几乎衰变殆尽，此时可能存在的长寿命粒子的信号就更容易被辨识出来。

FASER看到了什么？

目前已有的中微子实验都有各自的局限。来自反应堆或固定靶实验的中微子能量较低，最高不过数百个GeV；来自宇宙线的中微子虽然能量足够高，但是不受控。而LHC与FASER组合之后，就能够主动、可控地产生大量高能中微子并且直接探测。2023年3月，FASER首次直接探测到约153个对撞机产生的高能中微子，信号显著度为16σ，填补了数百GeV到几个TeV之间的实验空白能区，引起了物理学家的关注。因为该能区中微子与其他粒子相互作用尚未得到详细的研究，其反应截面也还没有被测量过（Phys Rev Lett, 2023, 131: 031801）。

FASER探测到的对撞机中微子

随后，FASER合作组又公布了其暗光子搜寻结果，未发现显著信号，但给出了质量在17~70 MeV范围内、ϵ在0.00002~0.0001范围内的暗光子可能性的世界最好限制（Phys Lett B, 2024, 848: 138378）。寻找暗物质的道路漫长且曲折，希望在以后更大的数据统计量下，FASER实验能在暗物质的寻找上有所突破。

沉浸式参观FASER实验基地（来源：现代物理知识视频号）

• 刘锦枫, 逄昊, 王驰, 艾小聪, 陈新, 胡震*. FASER实验: 简介与研究进展. 科学通报, 2024, 69(8): 1025–1033

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