迷你微中子偵測器在核反應爐大顯身手

一種偵測次原子粒子的精巧方法，為物理理論提供了新的驗證途徑。科學家們在瑞士萊布斯塔特核電廠的一項實驗中，利用一個3公斤重的偵測器，成功探測到了反微中子。

撰文：艾蜜莉・科諾弗 釋出於13小時前

一個迷你的微中子偵測器在全新的環境——核反應爐中，展現了它的不凡之處。

傳統的次原子粒子偵測器需要數公噸的材料。然而，這個新的偵測器重量還不到3公斤，就像吉娃娃犬那麼小巧。研究人員在1月9日提交到arXiv.org的一篇論文中報告，它成功探測到了從瑞士萊布斯塔特核電廠釋出的反微中子，反微中子是微中子的反物質對應粒子。

未參與這項研究的杜克大學微中子物理學家凱特・斯科爾伯格表示：「這真的意義重大。數十年來，人們一直試圖做到這一點，如今終於成功了。」

類似的小型微中子偵測器此前已捕捉到由實驗室粒子源產生的微中子和反微中子。核反應爐會釋放出能量相對較低的反微中子。透過測量這些低能量粒子，此類偵測器有助於驗證物理理論，或揭示原子核的內部運作機制。一些科學家提出，這種精巧的裝置可用於監測核反應爐，以發現可能與核武器發展有關的活動。

微中子極難被發現。大多數情況下，它們與物質的相互作用極為罕見，因此偵測器需要做得非常大，才能增加微中子在其中發生相互作用的機會。

但有一種相互作用相對更常見，即微中子或反微中子從原子核而非質子或中子上彈開。用於探測微中子—原子核相互作用的偵測器可以做得相當小，但有個前提，它們必須具有極高的靈敏度。觀察原子核的反彈，就如同感知被乒乓球擊中的保齡球的運動。這種效應在2017年首次利用實驗室粒子源被觀測到。

在這項新研究中，一個由鍺晶體製成的偵測器，在119天內從萊布斯塔特核反應爐捕獲了大約400個反微中子。這個數量與現有的粒子物理標準模型預測相符。

微中子偵測器（銅製）被一層層的鉛（黑色）和聚乙烯（紅白相間）包圍，以阻隔其他型別的次原子粒子。另外的層（藍色）則用於偵測可能會被誤認為是反微中子的粒子。

在微中子—原子核相互作用中，原子核由質子和中子組成的複雜性被忽略不計。這真的就像撞到一個保齡球。而且撞擊原子核的粒子能量越低，它就越像一個保齡球。斯科爾伯格說，對於核反應爐產生的反微中子，「這種碰撞非常輕柔，所以結果很清晰。原子核內任何奇怪的模糊現象都無關緊要。」

這種「清晰」使得測量對潛在的新效應更為敏感，例如尚未發現的粒子型別或微中子中意想不到的磁性。該研究的共同作者、海德堡馬克斯・普朗克核物理研究所的物理學家克里斯蒂安・巴克表示：「這為微中子物理學開闢了一條新途徑。在這條途徑中，可能存在我們目前還不知道的新物理現象。」其他科學家團隊已經在利用這些資料，尋找此類效應，1月17日和1月21日提交到arXiv.org的兩篇論文報告了相關情況。

科學家此前曾利用旨在探測暗物質（宇宙中一種不可見的質量源）的大型偵測器，找到了太陽微中子撞擊原子核的證據。

這並不是首次聲稱觀測到核反應爐反微中子從原子核上彈開。另一個科學家團隊據稱在2022年看到了這種效應，但結果與公認的理論不完全相符，因此備受爭議。巴克稱，這項新研究排除了2022年那項聲稱正確的可能性。

一些物理學家提出，這種型別的微中子偵測器可能有助於監測核反應爐的秘密活動。核反應爐釋放出的反微中子能反映其內部的活動情況。例如，反微中子的能量可以揭示反應爐中鈽的含量，而鈽是與武器生產相關的材料。然而，利用這項技術確定反微中子的能量可能具有挑戰性。此外，這項新實驗是在非常靠近反應爐的地方進行的，而在一些現實世界的監測中，可能需要在離源更遠的地方進行。

雖然偵測器體積小，在實際應用中有優勢，但它必須被厚厚的鉛和其他材料包裹，以遮蔽可能模仿反微中子的粒子，這使得它的便攜性降低。

未參與此項研究的弗吉尼亞理工大學（位於布萊克斯堡）微中子物理學家喬納森・林克表示：「這仍然是一種非常非常艱難的物理研究方式。但凡事都要從第一步邁起。」