科学家终于发现了难以捉摸的中微子
中微子是极其难以捉摸的基本粒子。 无论白天还是黑夜，其中 600 亿只每秒从太阳流过地球的每一平方厘米，这对他们来说是透明的。 在第一次对它们的存在进行理论预测后，几十年过去了才真正被发现。 这些实验通常非常大，以解释中微子与物质的相互作用非常微弱。 海德堡马克斯·普朗克核物理研究所 （MPIK） 的科学家现在已经成功地使用CONUS实验探测了核电站反应堆中的反中微子，探测器质量仅为3公斤。 最初位于布罗克多夫核电站，CONUS 实验于 2023 年夏季搬迁至瑞士莱布施塔特核电站 （KKL）。 对 1 kg 锗半导体探测器的改进，以及 KKL 出色的测量条件，首次使测量称为相干弹性中微子核散射 （CEvNS）。 在这个过程中，中微子不会散射出探测器中原子核的各个成分，而是与整个原子核相干地散射。 这显着增加了非常小但可观察到的核后坐力的可能性。 这种由中微子散射引起的后坐力相当于乒乓球从汽车上弹起，检测结果是汽车不断变化的运动。 就 CONUS 而言，该散射伙伴是锗的原子核。 观察这种效应需要低能中微子，例如核反应堆中大量产生的中微子。 这种效应早在 1974 年就被预测出来，但于 2017 年通过粒子加速器的 COHERENT 实验首次得到证实。 正如最近的一篇《自然》研究文章所描述的那样，CONUS 实验现在首次成功地在反应堆中观察到完全相干和低能量的效果。 这紧凑型 CONUS 装置距离反应堆堆芯 20.7 m（见上图）。 在这个位置，每秒有超过10万亿个中微子流过每一平方厘米的表面。 经过 2023 年秋季至 2024 年夏季大约 119 天的测量，在减去所有背景和干扰信号后，研究人员能够从 CONUS 数据中提取出多余的 395±106 个中微子信号。 这个值与理论计算非常吻合，在测量不确定度内。 “因此，我们成功地证实了 CONUS 实验的灵敏度及其检测原子核反中微子散射的能力，”博士解释道。 克里斯蒂安·巴克，该研究的作者之一。 他还强调了小型移动中微子探测器的潜在发展，以监测反应堆热量输出或同位素浓度，作为此处介绍的 CEvNS 技术未来可能的应用。 CEvNS 测量提供独特的对粒子物理学标准模型中基本物理过程的见解，该模型是描述我们宇宙结构的当前理论。 与其他实验相比，使用 CONUS 进行的测量可以减少对核物理方面的依赖，从而提高对标准模型之外的新物理的敏感性。 出于这个原因，CONUS 已经在 2024 年秋季配备了改进和更大的探测器。 凭借由此产生的测量精度，甚至更好结果是预期的。 “CONUS 中使用的技术和方法在实现基本新发现方面具有巨大的潜力，”教授强调说。 Lindner，该项目的发起人，也是该研究的作者。 “因此，开创性的 CONUS 结果可能标志着中微子研究新领域的起点。”