幾十年來，科學家們一直努力捕捉中微子 —— 這種微小、幾乎看不見的粒子能穿透包括地球本身在內(nèi)的一切物質(zhì)。

如今，一項突破終于到來：研究人員使用一個午餐盒大小的探測器，首次在核反應堆內(nèi)部捕捉到了這些幽靈般粒子相互作用的過程。

小型探測器，重大發(fā)現(xiàn)：捕獲難以捉摸的中微子

中微子是宇宙中最難以捉摸的粒子之一。每秒約有600億個來自太陽的中微子穿過地球的每平方厘米。由于這些粒子極少與物質(zhì)相互作用，它們能毫無阻礙地穿透整個行星。

盡管科學家多年前就預言了它們的存在，但成功觀測到它們卻耗費了數(shù)十年。由于中微子與周圍物質(zhì)相互作用極其微弱，探測它們通常需要龐大而靈敏的設備。

現(xiàn)在，海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）的研究人員取得了突破：僅使用一個重3公斤的探測器，CONUS+實驗項目成功探測到了核反應堆產(chǎn)生的反中微子。

從核電站到精密測量：相干彈性中微子-原子核散射（CEvNS）實戰(zhàn)

CONUS實驗最初設立在德國的布羅克多夫核電站，但在2023年夏天，它被搬遷至瑞士的萊布施塔特核電站（KKL）。此次搬遷，加上對其1公斤鍺半導體探測器的升級，以及KKL理想的測量條件，使研究人員首次在這種環(huán)境下探測到一種罕見的過程 —— 相干彈性中微子-原子核散射（CEvNS）。

在CEvNS過程中，中微子并非與原子核的單個部分相互作用，而是與整個原子核發(fā)生作用。這種相互作用增加了整個原子核產(chǎn)生極其微弱但仍可測量的反沖的可能性。想象一下，一個乒乓球彈開一輛停著的汽車。汽車幾乎不動，但這種運動是可以檢測到的。在CONUS+實驗中，鍺原子的原子核就充當了“汽車”的角色，記錄下反沖。為了觀測這一現(xiàn)象，研究人員依賴于低能中微子，它們在核反應堆內(nèi)部被大量產(chǎn)生。

歷史性首次：在反應堆中以完全相干性探測中微子

該效應早在1974年就被預言，但直到2017年才由粒子加速器上的COHERENT實驗首次證實。正如近期發(fā)表在《自然》雜志上的一篇研究文章所述，CONUS+實驗現(xiàn)在首次在反應堆環(huán)境中以完全相干性和更低能量成功觀測到了這一效應。

緊湊的CONUS+裝置位于距反應堆堆芯20.7米處（見文首圖）。在這個位置上，每秒有超過10萬億個中微子穿過每平方厘米的表面。在2023年秋季至2024年夏季之間約119天的測量后，研究人員在扣除所有背景和干擾信號后（見下圖），成功從CONUS+數(shù)據(jù)中提取出了395±106個超出預期的中微子信號。該數(shù)值在測量不確定度范圍內(nèi)與理論計算值高度吻合。

“因此，我們成功證實了CONUS+實驗的靈敏度及其探測原子核反中微子散射的能力，”該研究的作者之一克里斯蒂安·巴克博士解釋道。他還強調(diào)了本文所展示的CEvNS技術(shù)在未來的可能應用：開發(fā)小型、移動式中微子探測器，用于監(jiān)測反應堆熱輸出或同位素濃度。

開啟新物理之門：CONUS+的未來

CEvNS測量為粒子物理學標準模型（描述我們宇宙結(jié)構(gòu)的現(xiàn)行理論）內(nèi)的基本物理過程提供了獨特的見解。與其他實驗相比，使用CONUS+進行的測量減少了對核物理方面的依賴，從而提高了探測超越標準模型的新物理的靈敏度。為此，CONUS+在2024年秋季已經(jīng)配備了更大、性能更優(yōu)的探測器。憑借由此提升的測量精度，預計將獲得更好的結(jié)果。

“CONUS+所使用的技術(shù)和方法在取得基礎性新發(fā)現(xiàn)方面具有極佳的潛力，”該項目發(fā)起人、同時也是該研究作者的林德教授強調(diào)?！耙虼?，CONUS+這項突破性的成果可能標志著中微子研究新領域的起點。”

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