在 150 英里外的純水中檢測(cè)到核電站的幽靈般的光芒

早在 2018 年，加拿大安大略省一個(gè)埋在數(shù)公里深巖石下的最純凈水的水箱閃過(guò)，幾乎無(wú)法檢測(cè)到的顆粒猛烈撞擊其分子。

這是第一次用水來(lái)探測(cè)一種被稱為反中微子的粒子，這種粒子起源于 240 多公里（150 英里）外的核反應(yīng)堆。這一令人難以置信的突破有望中微子使用廉價(jià)、易于獲取和安全材料的實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)技術(shù)。

作為宇宙中最豐富的粒子之一，中微子都是奇怪的小事，但有很大的潛力來(lái)揭示對(duì)宇宙的更深層次的見(jiàn)解。不幸的是，它們幾乎沒(méi)有質(zhì)量，沒(méi)有電荷，幾乎不與其他粒子相互作用。它們大多在太空中流動(dòng)，巖石相似，仿佛所有物質(zhì)都是無(wú)形的。它們被稱為幽靈粒子是有原因的。

反中微子是中微子的反粒子對(duì)應(yīng)物。通常，反粒子的電荷與其粒子等效物相反;例如，帶負(fù)電的電子的反粒子是帶正電的正電子。由于中微子不帶電荷，科學(xué)家們只能區(qū)分兩者基于事實(shí)電子中微子將與正電子一起出現(xiàn)，而電子反中微子將與電子一起出現(xiàn)。

電子反中微子被發(fā)出在核 β 衰變期間，一種放射性衰變，其中中子衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子和反中微子。然后，這些電子反中微子之一可以與質(zhì)子相互作用，產(chǎn)生正電子和中子，這種反應(yīng)稱為逆 β 衰變。

襯有光電倍增管的大型液體填充罐用于檢測(cè)這種特殊類型的衰變。它們旨在捕捉切倫科夫輻射由移動(dòng)速度超過(guò)光速的帶電粒子可以穿過(guò)液體產(chǎn)生，類似于打破音障產(chǎn)生的音爆。所以他們對(duì)非常微弱的光線非常敏感。

核反應(yīng)堆大量產(chǎn)生反中微子，但它們的能量相對(duì)較低，這使得它們難以檢測(cè)。

進(jìn)入SNO+.它埋在超過(guò) 2 公里（1.24 英里）的巖石下，是世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室。這種巖石屏蔽層提供了有效的屏障，防止宇宙射線的干擾，使科學(xué)家能夠獲得非常分辨的信號(hào)。

如今，該實(shí)驗(yàn)室的 780 噸球形儲(chǔ)罐中裝滿了線性烷基苯，這是一種可以放大光線的液體閃爍體。早在 2018 年，當(dāng)該設(shè)施進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，它充滿了超純水。

梳理 2018 年校準(zhǔn)階段收集的 190 天數(shù)據(jù)，SNO+ 合作發(fā)現(xiàn)了逆 β 衰變的證據(jù)。在此過(guò)程中產(chǎn)生的中子被水中的氫原子核捕獲，進(jìn)而產(chǎn)生非常特定的能級(jí)（2.2 兆伏特）的柔和光暈。

Water Cherenkov 探測(cè)器通常難以檢測(cè)低于 3 兆伏的信號(hào);但是充滿水的 SNO+ 能夠檢測(cè)到低至 1.4 兆伏的電子。這產(chǎn)生了大約 50% 的檢測(cè) 2.2 兆伏特信號(hào)的效率，因此該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為尋找逆 β 衰變的跡象是值得的。

對(duì)候選信號(hào)的分析確定它很可能是由反中微子產(chǎn)生的，置信度為 3 西格瑪——概率為 99.7%。

結(jié)果表明，水探測(cè)器可用于監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆的發(fā)電量。

同時(shí)，SNO+ 正被用于幫助更好地了解中微子和反中微子。因?yàn)橹形⒆邮?a>無(wú)法直接測(cè)量我們對(duì)他們了解不多.最大的問(wèn)題之一是中微子和反中微子是否是完全相同的粒子。一種罕見(jiàn)的、前所未見(jiàn)的衰變可以回答這個(gè)問(wèn)題。SNO+ 目前正在尋找這種衰減。

“讓我們感到好奇的是，純水可以用來(lái)測(cè)量來(lái)自反應(yīng)堆的反中微子，而且距離如此之遠(yuǎn)，”物理學(xué)家洛根·萊巴諾夫斯基 （Logan Lebanowski） 說(shuō)SNO+ 合作和加州大學(xué)伯克利分校，早在 2023 年 3 月。

“我們花費(fèi)了大量精力從 190 天的數(shù)據(jù)中提取了一些信號(hào)。結(jié)果令人欣慰。

該研究已發(fā)表在物理評(píng)論信.

本文的一個(gè)版本于 2023 年 4 月首次發(fā)布。

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