物理學家利用一種僅重幾公斤的裝置從核反應堆中捕獲到了中微子，這種裝置的重量比標準的中微子探測器小幾個數量級。這項技術可以對已知的物理定律進行壓力測試，并探測坍縮恒星中心產生的大量中微子。
“他們終于做到了，而且得到了非常漂亮的結果。”美國杜克大學的物理學家Kate Scholberg說。這項名為CONUS+的實驗結果7月30日發表于《自然》。
瑞士萊布施塔特核電站是CONUS+中微子探測器所在地。
圖片來源：KietzmannBjorn/Action Press/Shutterstock
中微子是不帶電荷的基本粒子，通常不與其他物質相互作用，這使得它們極難被探測到。大多數中微子實驗通過觀測中微子與電子、質子或中子碰撞時產生的閃光來捕獲這些難以捉摸的粒子。這種碰撞極其罕見，因此此類探測器通常重達數噸或數千噸，以提供足夠多的靶物質來捕獲足夠數量的中微子。
Scholberg與合作者在2017年首次展示了這種微型探測器技術，用它捕獲了美國橡樹嶺國家實驗室加速器產生的中微子。該實驗室產生的中微子能量略高于反應堆產生的中微子。因此，探測反應堆中微子更具挑戰性。但較低能量的中微子也允許對物理學標準模型進行更精確的測試。
Scholberg的COHERENT探測器首次利用了一種稱為相干散射的現象，即中微子與整個原子核發生“散射”，而不是與構成原子的粒子發生散射。
CONUS合作項目的負責人之一、德國馬克斯·普朗克核物理研究所的物理學家Christian Buck表示，相干散射利用了物質粒子可以表現為波這一事實——粒子的能量越低，其波長越長。如果中微子的波長與原子核的直徑相當，那么中微子會將原子核視為一個整體。中微子不與任何亞原子粒子相互作用，但確實會引起原子核反沖——在探測器中沉積少量能量。
相干散射發生的頻率比其他探測器中所利用的相互作用高出100倍以上，在其他探測器中，中微子將原子核視為一堆較小的粒子，它們中間有空隙。這種更高的效率意味著探測器可以做得更小，卻仍能在相同時間內探測到相似數量的粒子。
“其缺點是，中微子在原子核上沉積的能量要少得多。”Buck說，中微子誘導原子核產生的反沖，其程度堪比乒乓球撞擊一艘船所產生的反沖——直到最近幾年，測量這種微弱的反沖仍然極具挑戰性。
CONUS探測器由4個純鍺模塊組成，每個模塊重1千克。它于2018年至2022年在德國一個核反應堆運行，之后該反應堆被關閉。該團隊隨后將探測器升級為CONUS+，轉移到瑞士的萊布施塔特核電站。研究小組報告說，在新的地點，該團隊在119天的運行中觀測到了大約395次碰撞事件——這與粒子物理標準模型的預測相符。
在COHERENT團隊2017年使用碘化銫探測器取得里程碑式的結果之后，Scholberg團隊又使用氬探測器和鍺探測器重復了這一壯舉。另外，去年，兩個最初設計用于搜尋暗物質的實驗報告稱觀測到了來自太陽的低能中微子相干散射的跡象。
Scholberg說，標準模型對相干散射的速率及其如何隨不同類型原子核變化做出了非常清晰的預測，因此使用盡可能多的探測材料來比較結果至關重要。如果該技術的靈敏度進一步提高，相干散射可能有助于推動太陽科學的前沿發展。
研究人員表示，相干散射可能不會完全取代任何現有的中微子探測技術。但它可以在低能量下探測到所有3種已知類型的中微子及其對應的反粒子，而其他一些技術只能捕獲一種類型。這種能力意味著它可以作為探測更高能量中微子的大型探測器的補充。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09322-2
本文鏈接：微型中微子探測器有望檢驗物理定律http://www.sq15.cn/show-11-24261-0.html
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