[论文解读] First Direct Observation of Collider Neutrinos with FASER at the LHC

FASER Collaboration, H. Abreu+86 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文报告了利用FASERν探测器首次直接观测到大型强子对撞机（LHC）质子-质子碰撞中产生的中微子，该探测器通过钨-乳胶靶捕获带电流相互作用。实验识别出153⁺¹³₋₁²个中微子事例，主要来自μ̄ₘu和μₘu相互作用，重建能量超过200 GeV，标志着对撞机中微子物理学时代的开启。

ABSTRACT

We report the first direct observation of neutrino interactions at a particle collider experiment. Neutrino candidate events are identified in a 13.6 TeV center-of-mass energy $pp$ collision data set of 35.4 fb${}^{-1}$ using the active electronic components of the FASER detector at the Large Hadron Collider. The candidates are required to have a track propagating through the entire length of the FASER detector and be consistent with a muon neutrino charged-current interaction. We infer $153^{+12}_{-13}$ neutrino interactions with a significance of 16 standard deviations above the background-only hypothesis. These events are consistent with the characteristics expected from neutrino interactions in terms of secondary particle production and spatial distribution, and they imply the observation of both neutrinos and anti-neutrinos with an incident neutrino energy of significantly above 200 GeV.

研究动机与目标

• 直接探测LHC高能质子-质子碰撞中产生的中微子，这一领域此前尚未实现直接观测。
• 验证QCD和电弱过程在对撞机环境中产生的高能中微子的存在及其性质。
• 通过测量远超地基反应堆或加速器能量的中微子相互作用，建立中微子物理学的新实验前沿。
• 证明使用紧凑、高颗粒度探测器（如FASERν）在对撞机环境中研究稀有高能中微子相互作用的可行性。

提出的方法

• 利用安装在LHC的FASER实验中的专用中微子子探测器FASERν，该探测器由钨-乳胶靶和用于粒子识别的闪烁体追踪器（IFT）组成。
• 通过钨靶中的带电荷中微子相互作用产生可探测的μ子，信号选择基于IFT中的轨迹重建和簇集计数。
• 采用数据驱动的分析策略，依赖于重建的轨迹特性（如电荷-动量比（q/pₘᵤ）、极角（θₘᵤ）以及IFT簇集数量），无需依赖详细的探测器模拟进行信号识别。
• 将观测到的分布与GENIE模拟的中微子相互作用结果以及来自非中微子源的μ子样背景事例（n₂类）进行比较。
• 使用亮度归一化的模拟估算信号效率和能量转移，发现超过80%的入射中微子动量被传递给末态μ子。
• 采用FLUKA模拟对视线方向上的μ子通量进行建模，支持背景估计和信号验证。

Figure 1: Schematic side view of the FASER detector with a muon neutrino undergoing a CC interaction in the emulsion-tungsten target.

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用紧凑型专用探测器（如FASERν）直接观测到LHC高能质子-质子碰撞中产生的中微子？
• RQ2 对撞机中微子的运动学和拓扑特性是什么？它们在探测器中如何与μ子背景相区分？
• RQ3 在对撞机中微子相互作用中，末态μ子的动量在多大程度上可作为入射中微子能量的可靠代理？
• RQ4 FASERν探测器能否通过重建μ子轨迹的电荷符号识别出反中微子的存在？
• RQ5 所观测中微子相互作用的能量尺度是多少？是否超过了以往中微子实验的阈值？

主要发现

• FASERν实验首次直接观测到对撞机中产生的中微子，从钨-乳胶靶中带电荷中微子相互作用（νₘᵤ和ν̄ₘᵤ）中探测到153⁺¹³₋₁²个事例。
• 信号事例的空间分布和轨迹特性（尤其是IFT簇集数量和电荷-动量比（q/pₘᵤ））与中微子相互作用一致，且与μ子样背景明显不同。
• 重建的μ子电荷确认了反中微子的存在，观测到40个正电荷μ子候选事例，表明发生了ν̄ₘᵤ相互作用。
• 重建的μ子动量表明，入射中微子能量显著高于200 GeV，平均而言超过80%的中微子动量被传递给末态μ子。
• IFT簇集数量、极角和q/pₘᵤ的观测信号分布与GENIE模拟结果高度一致，独立验证了分析策略，无需依赖探测器模拟精度。
• 该分析策略具有鲁棒性，不依赖于对探测器效应的详细建模，从而增强了信号识别的可信度。

Figure 2: The selected signal region in extrapolated radius $r_{\mathrm{veto}\,\nu}$ and reconstructed track momentum $p_{\mu}$ is depicted. The region with lower momenta and larger radii is dominated by background events consisting of charged particles that miss the FASER $\nu$ scintillator station