宇宙是由什么物质构成的？又是什么把物质组合到一起？ 数百年来，这个问题驱使着无数科学家们不断探索研究，从而推动了科技进步发展。物理学作为一门致力于探索宇宙和自然界本质规律的学科，科学家用精密的实验设备和理论模型，不断探索新的领域，推动人类对物质的认知。随着宇宙的最小物质组成部分——基本粒子被逐个发现，人类进入了粒子物理学时代，不断深入研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间相互作用。由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现，科学家通常要使用粒子加速器在高能对撞的条件下生产和研究它们。
近日，欧洲核子中心（CERN）的FASER（Forward Search Experiment）合作组首次直接探测到由粒子对撞机产生的中微子，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，研究论文已于2023年7月19日发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 131, 031801 (2023)）上。中微子是宇宙中最丰富的粒子，也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，为人类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、建造和运行过程中做了长期贡献，并在本次发现中做出了直接贡献。 清华大学高能物理研究中心主任、物理系教授王青认为，在人类制造的能量最高前沿产生并探测这种幽灵粒子，为未来基础科学开辟了新的方向。 清华大学物理系副教授陈新介绍，构成物质世界的最基本的费米子有12种，包括了6种夸克，3种带电轻子和3种中微子。中微子是一种亚原子粒子，带电，质量极小，与其他物质的相互作用十分微弱，在自然界广泛存在，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，太阳内部核反应也产生大量中微子。中微子以接近光速在运动，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以千亿计，但是完全感知不到，它因此获得了“幽灵粒子”的绰号，而且中微子的检测非常困难。 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，安装在瑞士日内瓦欧洲核子中心，它可探测大型强子对撞机（LHC）产生的粒子。自从上世纪中页发现中微子至今，物理学家所研究的大多数是低能的中微子，但是FASER探测到的是实验室能产生的最高能的中微子，其能量与外太空粒子进入大气层引发剧烈粒子簇射时产生的中微子类似。这些非常高能的中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观测结果非常重要。 2019年3月5日，FASER实验获得了CERN的正式批准并立项，清华大学高能物理研究中心、清华大学物理系陈新副教授和胡震副教授带领团队加入了FASER国际合作组，团队承担了径迹探测器研发、核乳胶探测器研发、实验数据分析等多项工作。FASER合作组联合发言人、项目发起者、加州大学欧文分校粒子物理学家冯孝仁说：“在过去4年时间里，清华大学团队不断为FASER和FASER??探测器的研发、建造和模拟做出贡献，这次用真实LHC数据取得的首个物理结果中，清华大学做出了直接的贡献。” 陈新表示，这次FASER探测到的对撞机中微子位于一个介于固定靶中微子和宇宙中微子之间的新能区，探测到的是缪子型中微子的带电流相互作用，为人类理解中微子产生机制，质子在small-x区的行为，对撞点前向区物理等打开了一扇门。未来，我们期待FASER对来自对撞机的其它类型中微子的探测，以及对可能的惰性中微子、暗物质粒子等新物理信号的寻找提供线索。 胡震介绍，粒子物理学所要回答的两个最主要问题，一是组成世界的最基本单元是什么，二是它们如何组成这个世界。过去一百多年来，物理学家在回答这两个问题的过程中逐步建立起了粒子物理标准模型，它深刻的影响着人类对物质世界的认识。但标准模型也有一些解释不了的问题，比如暗物质。因此，除了中微子研究之外，FASER的另一个主要目标是寻找构成暗物质的未知粒子。物理学家认为宇宙中的大部分物质是暗物质，但目前尚未发现组成暗物质的粒子的迹象。如果某些类型的暗物质粒子在大型强子对撞机上出现，FASER探测器已经做好了记录它们的准备。 其实，作为在国际高能界具有相当影响力的研究机构，清华大学高能物理研究中心团队近年来已经在欧洲核子研究中心的几个实验中取得了多项重要物理成果。此次在FASER实验取得的首个物理成果中，清华组成员开拓创新、不懈探索研究，再次做出了重要贡献，其中径迹探测器和核乳胶探测器是取得本次新结果的关键部分，这也是清华组大量参与硬件、调试、校准和运行的领域。清华大学博士后、水木学者稻田知大在本次对撞机中微子发现中的贡献主要包括径迹探测器的调试、运行和数据分析等，他也积极致力于核乳胶探测器里的中微子分析，这正是首个对撞机中微子出现的地方。清华物理系2020级硕士生王地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作用，相关科研成果已于2022年发表在Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.A上。2019级博士生刘锦枫和逄昊也积极参与了探测器的值班和维护。
目前，FASER实验研究工作已经得到了国家自然科学基金、清华大学理科发展双E计划科研基金、清华大学自主科研计划、清华大学笃实专项、清华大学物理系学科建设经费的资助。 胡震作为清华大学物理系加入FASER实验的主要推动人之一，他本身就专注于高能物理实验研究，在CMS和FASER实验、B物理和奇特强子态、新物理寻找、探测器硬件研发等多方面拥有丰富的科研经验，在LHC的几项物理发现中做出了贡献，如2011年首次观测到底偶素压低，为夸克胶子等离子体的存在提供了重要实验证据；2014年观测到一种B介子的稀有衰变，为从上世纪80年代至今的漫长寻找画上了句号；2022年观测到由多个潜在的全粲四夸克粒子组成的家族结构，并发现了新粒子X(6600)；以及今年直接观测到对撞机中微子等。胡震认为：“基础科学研究是为子孙后代的幸福生活打基础，越前沿的科学不确定性越高。我们虽然大多数时间是在坐‘冷板凳’，但寻求科学突破的梦想不变，有时在未知的科研海洋中获得星星点点的新发现，就能喜悦和回味很长时间。在高能物理实验领域学习和工作的十多年中，我深切感受到了祖国科学发展的突飞猛进，也更加坚定了科学报国的梦想。”
