微型中微子探測器在核反應堆中取得巨大成就

微型中微子探測器在一個新的環境中站穩了腳跟——核反應堆。

傳統的亞原子粒子探測器需要數噸的材料。但新探測器的質量不到3公斤。想想吉娃娃。和它成功檢測到了反中微子研究人員在 1 月 9 日提交給 arXiv.org 的論文中報告稱，中微子的反物質對應物從瑞士萊布施塔特的一座核電站中流出。

“這實際上是巨大的，”杜克大學的中微子物理學家凱特·索爾伯格說，她沒有參與這項研究。 “幾十年來人們一直在嘗試這樣做，現在終於成功了。”

類似的按比例縮小的中微子探測器已經瞥見了由實驗室粒子源產生的中微子和反中微子。核反應堆釋放出能量相對較低的反中微子。通過測量這些低能粒子，此類探測器可以幫助測試物理理論或揭示原子核的內部運作。一些科學家提出，這種緊湊型設備可用於監測核反應堆的活動，這些活動預示著核武器的發展。

中微子極難被發現。在大多數情況下，它們與物質的相互作用非常少，因此探測器需要很大才能為中微子提供更多內部相互作用的機會。

但一種類型的相互作用更為常見，其中中微子或反中微子從原子核而不是質子或中子反彈。中微子與原子核相互作用的探測器可以做得非常小——但有一個問題。他們一定是極其敏感的。觀察原子核的反沖就像感知乒乓球擊中保齡球的運動一樣。效果，使用實驗室來源的顆粒。

在這項新研究中，由鍺晶體製成的探測器在 119 天內從萊布施塔特反應堆中捕獲了約 400 個反中微子。這個數字與已建立的粒子物理理論（標準模型）的預測一致。

在中微子與原子核的相互作用中，原子核及其組成質子和中子的複雜性被消除了。這真的就像敲入保齡球一樣。撞擊該核的粒子能量越低，它就越像一個保齡球。對於反應堆反中微子，“它的碰撞非常輕微，非常乾淨，”索爾伯格說。 “細胞核中發生的任何奇怪的糊狀東西都無關緊要。”

缺乏糊狀使得測量對潛在的新效應更加敏感，例如未發現的粒子類型或中微子中意想不到的磁性。該研究的合著者、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·巴克說：“這為中微子物理學開闢了一條新途徑。” “那個通道中可能存在我們現在不知道的新物理學。”其他科學家團隊已經在使用該數據到檢查是否有這樣的影響，正如 1 月 17 日和 1 月 21 日提交給 arXiv.org 的兩篇論文所報導的那樣。

科學家此前已經發現了核撞擊的證據，使用旨在發現暗物質的大型探測器，暗物質是宇宙中存在的一種看不見的質量源。

這並不是第一次聲稱觀察到反應堆反中微子從原子核反彈。另一個科學家團隊據說2022年就能看到效果，但結果與公認的理論並不完全一致，從而引起爭議。巴克說，這項新研究排除了 2022 年說法正確的可能性。

一些物理學家建議，這種類型的中微子探測器可能有助於監測核反應堆的秘密活動。從核反應堆中噴出的反中微子提供了內部發生情況的信號。例如，反中微子能量可以揭示反應堆中钚的數量，钚是一種與武器生產相關的材料。但使用該技術確定反中微子的能量可能具有挑戰性。新的實驗也靠近反應堆，而某些類型的現實世界監測需要在距離源更遠的地方進行。

雖然探測器的小尺寸對於實際應用來說是一個優勢，但它必須厚厚地包裹著鉛和其他材料，以保護其免受可能模仿反中微子的粒子的影響，從而使其便攜性較差。

“這仍然是研究物理學的一種非常非常困難的方法，”布萊克斯堡弗吉尼亞理工大學的中微子物理學家喬納森·林克（Jonathan Link）說，他沒有參與這項工作。 “但你總是從第一步開始。”