在 150 英里外的纯水中检测到核电站的幽灵般的光芒

早在 2018 年，加拿大安大略省一个埋在数公里深岩石下的最纯净水的水箱闪过，几乎无法检测到的颗粒猛烈撞击其分子。

这是第一次用水来探测一种被称为反中微子的粒子，这种粒子起源于 240 多公里（150 英里）外的核反应堆。这一令人难以置信的突破有望中微子使用廉价、易于获取和安全材料的实验和监测技术。

作为宇宙中最丰富的粒子之一，中微子都是奇怪的小事，但有很大的潜力来揭示对宇宙的更深层次的见解。不幸的是，它们几乎没有质量，没有电荷，几乎不与其他粒子相互作用。它们大多在太空中流动，岩石相似，仿佛所有物质都是无形的。它们被称为幽灵粒子是有原因的。

反中微子是中微子的反粒子对应物。通常，反粒子的电荷与其粒子等效物相反;例如，带负电的电子的反粒子是带正电的正电子。由于中微子不带电荷，科学家们只能区分两者基于事实电子中微子将与正电子一起出现，而电子反中微子将与电子一起出现。

电子反中微子被发出在核 β 衰变期间，一种放射性衰变，其中中子衰变为质子、电子和反中微子。然后，这些电子反中微子之一可以与质子相互作用，产生正电子和中子，这种反应称为逆 β 衰变。

衬有光电倍增管的大型液体填充罐用于检测这种特殊类型的衰变。它们旨在捕捉切伦科夫辐射由移动速度超过光速的带电粒子可以穿过液体产生，类似于打破音障产生的音爆。所以他们对非常微弱的光线非常敏感。

核反应堆大量产生反中微子，但它们的能量相对较低，这使得它们难以检测。

进入SNO+.它埋在超过 2 公里（1.24 英里）的岩石下，是世界上最深的地下实验室。这种岩石屏蔽层提供了有效的屏障，防止宇宙射线的干扰，使科学家能够获得非常分辨的信号。

如今，该实验室的 780 吨球形储罐中装满了线性烷基苯，这是一种可以放大光线的液体闪烁体。早在 2018 年，当该设施进行校准时，它充满了超纯水。

梳理 2018 年校准阶段收集的 190 天数据，SNO+ 合作发现了逆 β 衰变的证据。在此过程中产生的中子被水中的氢原子核捕获，进而产生非常特定的能级（2.2 兆伏特）的柔和光晕。

Water Cherenkov 探测器通常难以检测低于 3 兆伏的信号;但是充满水的 SNO+ 能够检测到低至 1.4 兆伏的电子。这产生了大约 50% 的检测 2.2 兆伏特信号的效率，因此该团队认为寻找逆 β 衰变的迹象是值得的。

对候选信号的分析确定它很可能是由反中微子产生的，置信度为 3 西格玛——概率为 99.7%。

结果表明，水探测器可用于监测核反应堆的发电量。

同时，SNO+ 正被用于帮助更好地了解中微子和反中微子。因为中微子是无法直接测量我们对他们了解不多.最大的问题之一是中微子和反中微子是否是完全相同的粒子。一种罕见的、前所未见的衰变可以回答这个问题。SNO+ 目前正在寻找这种衰减。

“让我们感到好奇的是，纯水可以用来测量来自反应堆的反中微子，而且距离如此之远，”物理学家洛根·莱巴诺夫斯基 （Logan Lebanowski） 说SNO+ 合作和加州大学伯克利分校，早在 2023 年 3 月。

“我们花费了大量精力从 190 天的数据中提取了一些信号。结果令人欣慰。

该研究已发表在物理评论信.

本文的一个版本于 2023 年 4 月首次发布。

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