2023 年 3 月 19 日，欧洲核子中心（CERN）的 FASER 合作组[1]报告首次探测到由粒子对撞机产生的中微子[2]。这一发现有望加深科学家对 1956 年首次发现的中微子性质的理解。中微子质量虽轻，却是恒星燃烧的关键参与者。该研究也可涵盖来自宇宙中的中微子，它们经过长距离传播后与地球碰撞，为人们了解宇宙中遥远的部分提供了窗口。清华大学在 FASER 探测器的研发、建造、运行和数据分析过程中做了长期的工作，并在本次发现中做出了直接贡献。

01 宇宙中的“幽灵粒子”

构成我们现实物质世界的 12 种最基本的费米子中，有三种是中微子。中微子也是宇宙中数量最多的粒子之一，仅次于光子。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分来自宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米 300 个。

中微子不带电，质量非常轻(小于电子的百万分之一)，接近光速在运动。它只参与非常微弱的弱相互作用，具有极强的穿透力。此时此刻，数千亿的中微子正穿透你的身体，但你却完全感知不到，它因此获得了“幽灵粒子”的绰号。

构成物质世界 12 种最基本的费米子

就算穿越地球直径那么厚的物质，在 100 亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。这次 FASER 探测器也是人类首次在粒子对撞机中直接探测到中微子。在所有基本粒子中，人们对中微子了解最少。

实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新星爆发、宇宙射线等等。大部分中微子实验位于地下或冰下，并在超纯水或液体闪烁体环境中布置足够体量的探测器。比如中国的大亚湾反应堆中微子实验、锦屏地下中微子实验、日本的超级神冈中微子探测实验和美国在南极的冰立方中微子实验。中国在建的江门中微子实验将建造世界最大规模的中微子探测器，有望解决中微子质量之谜等难题。

在建的江门中微子实验

02 专为幽灵粒子和暗光子设计的探测器：FASER

大型强子对撞机（LHC）位于法国和瑞士之间的边界，是日内瓦附近的欧洲核子研究组织（CERN）皇冠上的明珠。从几乎所有方面——资金、人员、物理规模——LHC 都是世界上最大的粒子物理实验。围绕这台超级对撞机有众多探测器针对不同的物理目标而建造，其中最新的探测器之一——FASER（Forward Search Experiment），相比于那些重达数千吨、几层楼高的探测器（如ATLAS、CMS），它是个非常小的探测器，重量只有大约一吨，体积小到能整个放进 CERN 地下的一个小隧道里。

FASER 设计图

FASER 是一个新颖独特的粒子探测器，由国际物理学家联合设计和建造，仅花了几年的时间，并使用了一些来自其他实验的冗余备件以节省成本。它的主要目标是探测非常轻的粒子（featherweight particles），比如中微子、构成暗物质的粒子等。

FASER