未来环形对撞机强子碰撞中的前向中微子产生与事件率分析

《Progress of Theoretical and Experimental Physics》：Forward neutrino production and event rates at the Future Circular Collider for hadron collisions

本研究针对未来超高能对撞机（如FCC-hh）在质心能量100 TeV、积分亮度1 ab-1条件下产生的高能中微子束，通过模拟计算估算了其在距离对撞点0.5 km与2 km处探测器中的通量及电荷电流相互作用事件率。首次评估了中微子-核散射直接产生W±玻色子的可行性，为检验标准模型和探索新物理提供了新途径。

　　

在粒子物理领域，探索超越标准模型（Standard Model, SM）的新物理是当前研究的核心目标。大型强子对撞机（LHC）虽已取得重大突破，但其能量上限限制了更高能区现象的观测。未来环形对撞机（Future Circular Collider, FCC）作为下一代超高能设施，计划将质子-质子对撞质心能量提升至100 TeV，有望产生能量高达50 TeV的强前向中微子束。这些高能中微子不仅为检验标准模型提供了独特平台，还可能揭示暗物质、惰性中微子等新物理现象。然而，目前对TeV级以上中微子-核相互作用截面的实验数据极度缺乏，尤其是直接产生W^±玻色子的过程尚未被观测到，成为高能物理研究的空白区域。

为系统评估FCC-hh环境下中微子物理的潜力，研究团队基于PYTHIA8事件生成器，结合LHAPDF部分子分布函数，对√s=100 TeV的质子-质子碰撞进行模拟。通过调整夸克质量参数（如m_c=1.0 GeV/c²）和选用Tune:pp=19优化模型，提高了对粲夸克和底夸克产生截面的预测准确性。模拟中考虑了探测器几何参数（如FASERν探测器的靶质量128 kg或1100 kg、表面积23.4×9 cm²或25×30 cm²），并设定了不同探测效率（ν_e为12.5%，ν_μ为15%，ν_τ为5%）。同时，采用EPOS.LHC-R模型进行对比验证，确保结果可靠性。

中微子通量分布

通过分析10⁸次非弹性碰撞事件，研究发现：

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  中微子主要来源于粲强子、B强子及轻强子（如π、K介子）的衰变，其中ν_μ通量显著高于ν_e和ν_τ。
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  探测器距离对撞点越远（如2 km），中微子束越集中，但高能事件率因通量衰减而降低。
  

  c?X和σ_b?bX随对撞能量√s的变化趋势">

电荷电流事件率

在E_ν≥0.5 TeV范围内：

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  使用128 kg靶质量时，ν_μ事件率最高，可达10³量级（0.5 km处），且能量延伸至50 TeV。
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  探测器距离增加至2 km时，事件率下降约80%，但能谱形状保持相似。
  

  e、ν_μ和ν_τ的电荷电流事件能谱分布">

W^±直接产生可行性

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  通过虚光子媒介的ν-核散射，预计可观测到O(1–10)个W^±事件（1100 kg靶质量），且W⁺和W^-产生率相当。
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  该过程与Glashow共振（仅产生W^-）互补，为检验电弱相互作用提供了新维度。
  

  e、ν_μ和ν_τ诱导的W^±产生能谱">

本研究首次系统量化了FCC-hh前向区域中微子物理的探测潜力，证实了在50 TeV能区开展中微子相互作用研究的可行性。直接W^±产生过程的提出，突破了Glashow共振的能量限制，为在对撞机环境中检验标准模型开辟了新路径。此外，研究框架可灵活适配不同探测器配置，为未来实验设计提供了关键参考。尽管PYTHIA8与EPOS.LHC-R的预测存在量级差异，但二者均支持FCC-hh在探索中微子相关新物理中的独特价值。