想象一下，一種粒子幾乎沒有質(zhì)量，也沒有電荷，每秒鐘有數(shù)十億個(gè)穿過你的身體，卻從未留下任何痕跡。這就是被稱為“幽靈粒子”的中微子。捕捉它們是物理學(xué)界最艱巨的任務(wù)之一，通常需要建造像體育館一樣巨大的探測(cè)器，并將其深埋地下。但現(xiàn)在，德國(guó)馬克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）的科學(xué)家們帶來了一個(gè)驚人的好消息：他們用一個(gè)只有午餐盒大小的探測(cè)器，成功捕捉到了核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子！

這項(xiàng)突破性研究，近日登上了著名的《自然》（Nature）期刊。它標(biāo)志著困擾科學(xué)家們長(zhǎng)達(dá)50年的一個(gè)物理學(xué)預(yù)測(cè)，終于得到了證實(shí)，也為未來開發(fā)更小、更靈敏的探測(cè)器，探索宇宙的奧秘，打開了全新的大門。

中微子是宇宙中最神秘、最普遍的粒子之一。它們幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生相互作用，因此被稱為“幽靈粒子”。為了探測(cè)它們，科學(xué)家們通常會(huì)利用一種名為**相干彈性中微子-原子核散射（CEvNS）**的罕見現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來說，就是中微子與整個(gè)原子核作為一個(gè)整體發(fā)生碰撞，而不是只與其中的質(zhì)子或中子發(fā)生碰撞。這種碰撞產(chǎn)生的能量非常微弱，難以被探測(cè)到。

早在1974年，物理學(xué)家們就預(yù)測(cè)了這種CEvNS現(xiàn)象的存在，但直到2017年，科學(xué)家才在粒子加速器上首次證實(shí)了它的發(fā)生。而在核反應(yīng)堆的環(huán)境中，由于能量更低，這種現(xiàn)象的探測(cè)難度更高，一直是一個(gè)未能解決的挑戰(zhàn)。

而MPIK的團(tuán)隊(duì)，這次正是利用了核反應(yīng)堆，成功捕捉到了這種難以捉摸的CEvNS信號(hào)。他們的關(guān)鍵武器，就是名為CONUS+的超小型探測(cè)器。這個(gè)探測(cè)器重量只有3公斤，內(nèi)部裝有高靈敏度的鍺半導(dǎo)體探測(cè)器。他們將它放置在瑞士KKL核電站反應(yīng)堆附近，以最大限度地捕捉到反應(yīng)堆產(chǎn)生的大量反中微子。

這項(xiàng)研究最激動(dòng)人心的地方在于，它證明了即便是在能量較低的核反應(yīng)堆環(huán)境中，CEvNS現(xiàn)象也同樣存在，并且能夠被如此小巧的探測(cè)器成功捕捉。經(jīng)過2023年至2024年間大約119天的測(cè)量，科學(xué)家們成功地從大量背景噪聲中，提取出了395個(gè)中微子信號(hào)，這無疑是一次巨大的成功！

這項(xiàng)突破性研究的意義是巨大的：

1. 物理學(xué)界的重大里程碑

它首次在核反應(yīng)堆中觀測(cè)到CEvNS現(xiàn)象，解決了長(zhǎng)達(dá)50年的科學(xué)難題。這不僅驗(yàn)證了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，也為我們研究中微子和原子核之間的弱相互作用提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2. 探測(cè)器技術(shù)的革命

傳統(tǒng)的探測(cè)器動(dòng)輒需要成百上千噸的材料和巨大的體積，而CONUS+探測(cè)器的小型化，展示了未來探測(cè)器發(fā)展的巨大潛力。更小、更便攜的探測(cè)器，可以在更多地方被部署，例如地下礦井、深海甚至空間站，為探索更廣泛的宇宙現(xiàn)象提供可能。

3. 未來的應(yīng)用前景

這項(xiàng)技術(shù)不僅能幫助科學(xué)家探索基礎(chǔ)物理，還有望應(yīng)用于實(shí)際生活中。例如，更小、更靈敏的中微子探測(cè)器可以用于監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆的運(yùn)行狀態(tài)，保障核安全。它甚至可能為未來的核不擴(kuò)散技術(shù)提供新的思路，通過探測(cè)非法核活動(dòng)產(chǎn)生的特殊中微子信號(hào)來加以識(shí)別。

當(dāng)然，這項(xiàng)研究只是開始?？茖W(xué)家們還需要進(jìn)行更深入的分析，以更精確地測(cè)量CEvNS的性質(zhì)，并將其與其他理論預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比。但毫無疑問，這次成功的捕獲，為人類理解中微子，以及探索宇宙的起源和構(gòu)成，注入了新的活力。

參考資料：DOI:10.1038/s41586-025-09322-2