幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直努力捕捉中微子 —— 這種微小、幾乎看不見(jiàn)的粒子能穿透包括地球本身在內(nèi)的一切物質(zhì)。

如今，一項(xiàng)突破終于到來(lái)：研究人員使用一個(gè)午餐盒大小的探測(cè)器，首次在核反應(yīng)堆內(nèi)部捕捉到了這些幽靈般粒子相互作用的過(guò)程。

小型探測(cè)器，重大發(fā)現(xiàn)：捕獲難以捉摸的中微子

中微子是宇宙中最難以捉摸的粒子之一。每秒約有600億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子穿過(guò)地球的每平方厘米。由于這些粒子極少與物質(zhì)相互作用，它們能毫無(wú)阻礙地穿透整個(gè)行星。

盡管科學(xué)家多年前就預(yù)言了它們的存在，但成功觀測(cè)到它們卻耗費(fèi)了數(shù)十年。由于中微子與周圍物質(zhì)相互作用極其微弱，探測(cè)它們通常需要龐大而靈敏的設(shè)備。

現(xiàn)在，海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）的研究人員取得了突破：僅使用一個(gè)重3公斤的探測(cè)器，CONUS+實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成功探測(cè)到了核反應(yīng)堆產(chǎn)生的反中微子。

從核電站到精密測(cè)量：相干彈性中微子-原子核散射（CEvNS）實(shí)戰(zhàn)

CONUS實(shí)驗(yàn)最初設(shè)立在德國(guó)的布羅克多夫核電站，但在2023年夏天，它被搬遷至瑞士的萊布施塔特核電站（KKL）。此次搬遷，加上對(duì)其1公斤鍺半導(dǎo)體探測(cè)器的升級(jí)，以及KKL理想的測(cè)量條件，使研究人員首次在這種環(huán)境下探測(cè)到一種罕見(jiàn)的過(guò)程 —— 相干彈性中微子-原子核散射（CEvNS）。

在CEvNS過(guò)程中，中微子并非與原子核的單個(gè)部分相互作用，而是與整個(gè)原子核發(fā)生作用。這種相互作用增加了整個(gè)原子核產(chǎn)生極其微弱但仍可測(cè)量的反沖的可能性。想象一下，一個(gè)乒乓球彈開(kāi)一輛停著的汽車。汽車幾乎不動(dòng)，但這種運(yùn)動(dòng)是可以檢測(cè)到的。在CONUS+實(shí)驗(yàn)中，鍺原子的原子核就充當(dāng)了“汽車”的角色，記錄下反沖。為了觀測(cè)這一現(xiàn)象，研究人員依賴于低能中微子，它們?cè)诤朔磻?yīng)堆內(nèi)部被大量產(chǎn)生。

歷史性首次：在反應(yīng)堆中以完全相干性探測(cè)中微子

該效應(yīng)早在1974年就被預(yù)言，但直到2017年才由粒子加速器上的COHERENT實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)。正如近期發(fā)表在《自然》雜志上的一篇研究文章所述，CONUS+實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在首次在反應(yīng)堆環(huán)境中以完全相干性和更低能量成功觀測(cè)到了這一效應(yīng)。

緊湊的CONUS+裝置位于距反應(yīng)堆堆芯20.7米處（見(jiàn)文首圖）。在這個(gè)位置上，每秒有超過(guò)10萬(wàn)億個(gè)中微子穿過(guò)每平方厘米的表面。在2023年秋季至2024年夏季之間約119天的測(cè)量后，研究人員在扣除所有背景和干擾信號(hào)后（見(jiàn)下圖），成功從CONUS+數(shù)據(jù)中提取出了395±106個(gè)超出預(yù)期的中微子信號(hào)。該數(shù)值在測(cè)量不確定度范圍內(nèi)與理論計(jì)算值高度吻合。

“因此，我們成功證實(shí)了CONUS+實(shí)驗(yàn)的靈敏度及其探測(cè)原子核反中微子散射的能力，”該研究的作者之一克里斯蒂安·巴克博士解釋道。他還強(qiáng)調(diào)了本文所展示的CEvNS技術(shù)在未來(lái)的可能應(yīng)用：開(kāi)發(fā)小型、移動(dòng)式中微子探測(cè)器，用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆熱輸出或同位素濃度。

開(kāi)啟新物理之門(mén)：CONUS+的未來(lái)

CEvNS測(cè)量為粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型（描述我們宇宙結(jié)構(gòu)的現(xiàn)行理論）內(nèi)的基本物理過(guò)程提供了獨(dú)特的見(jiàn)解。與其他實(shí)驗(yàn)相比，使用CONUS+進(jìn)行的測(cè)量減少了對(duì)核物理方面的依賴，從而提高了探測(cè)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的靈敏度。為此，CONUS+在2024年秋季已經(jīng)配備了更大、性能更優(yōu)的探測(cè)器。憑借由此提升的測(cè)量精度，預(yù)計(jì)將獲得更好的結(jié)果。

“CONUS+所使用的技術(shù)和方法在取得基礎(chǔ)性新發(fā)現(xiàn)方面具有極佳的潛力，”該項(xiàng)目發(fā)起人、同時(shí)也是該研究作者的林德教授強(qiáng)調(diào)?！耙虼?，CONUS+這項(xiàng)突破性的成果可能標(biāo)志著中微子研究新領(lǐng)域的起點(diǎn)?！?/p>

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