SNO+ 探測器。 (SNOLAB)

在加拿大安大略省，埋在巖石之下數(shù)公里深處的一罐最純凈的水，當一個難以察覺的粒子穿過水分子時，水罐閃閃發(fā)光。

這次事件是第一次利用水來探測一種被稱為反中微子的粒子，它來源于 240 多公里(150 英里)外的核反應(yīng)堆。

這一令人難以置信的突破詳見于 2023 年發(fā)表的一項研究，為未來使用廉價、易于獲取和安全的材料的中微子實驗和監(jiān)測技術(shù)鋪平了道路 。

作為宇宙中最豐富的粒子之一， 中微子是一種奇怪的小東西，具有揭示宇宙深層奧秘的巨大潛力。不幸的是，它們幾乎沒有質(zhì)量，不帶電荷，幾乎不與其他粒子相互作用。它們大多在太空和巖石中穿梭，仿佛所有物質(zhì)都是無形的。它們被稱為幽靈粒子是有原因的。

反中微子是中微子的反粒子對應(yīng)物。通常，反粒子的電荷與其粒子對應(yīng)物相反;例如，帶負電的電子的反粒子是帶正電的正電子。由于中微子不帶電荷，科學家只能根據(jù)電子中微子會與正電子同時出現(xiàn)，而電子反中微子會與電子同時出現(xiàn)這一事實來區(qū)分兩者。

物理學標準模型中的粒子 具有反粒子等效物。(ScienceAlert)

電子反中微子在核β衰變過程中發(fā)射，這是一種放射性衰變，其中中子衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子和反中微子。然后，其中一個電子反中微子可以與質(zhì)子相互作用，產(chǎn)生正電子和中子，這種反應(yīng)稱為逆β衰變。

大型、充滿液體的容器內(nèi)襯光電倍增管，用于檢測這種特殊的衰變。它們被設(shè)計用來捕捉帶電粒子在液體中移動速度超過光速時產(chǎn)生的微弱切倫科夫輻射，類似于突破音障產(chǎn)生的音爆。所以它們對非常微弱的光非常敏感。

核反應(yīng)堆會產(chǎn)生大量反中微子，但它們的能量相對較低，因此很難探測到。

進入SNO+。它埋在超過 2 公里(1.24 英里)的巖石之下，是世界上最深的地下實驗室。這種巖石屏蔽提供了有效的屏障，可以抵御宇宙射線的干擾，使科學家能夠獲得異常清晰的信號。

如今，實驗室重達 780 噸的球形儲罐中裝滿了直鏈烷基苯，這是一種可以放大光線的液體閃爍體。早在 2018 年，當該設(shè)施進行校準時，它就裝滿了超純水。

通過梳理 2018 年校準階段收集的 190 天數(shù)據(jù)，SNO+ 合作發(fā)現(xiàn)了逆 β 衰變的證據(jù)。在此過程中產(chǎn)生的中子被水中的氫核捕獲，進而產(chǎn)生非常特定能量水平(2.2 兆電子伏)的柔和光輝。

Sno+ 在一大罐液態(tài)烷基苯中檢測到切倫科夫輻射閃光。(Sno+ 合作)

水切倫科夫探測器通常難以探測到低于 3 兆電子伏的信號;但充滿水的 SNO+ 能夠探測到低至 1.4 兆電子伏的信號。這產(chǎn)生了 2.2 兆電子伏信號探測效率約為 50% 的效率，因此該團隊認為尋找逆 β 衰變的跡象是值得的。

對候選信號的分析確定它很可能是由反中微子產(chǎn)生的，置信度為 3 西格瑪，也就是 99.7% 的概率。

該結(jié)果表明，水探測器可用于監(jiān)測核反應(yīng)堆的發(fā)電量。

與此同時，SNO+ 正被用于幫助更好地了解中微子和反中微子。由于中微子無法直接測量，我們對它們知之甚少。最大的問題之一是中微子和反中微子是否是完全相同的粒子。一種罕見的、前所未見的衰變可以回答這個問題。SNO+ 目前正在尋找這種衰變。

2023 年研究結(jié)果公布時，SNO+ 合作項目和加州大學伯克利分校的物理學家洛根·萊巴諾夫斯基 (Logan Lebanowski) 解釋道：“純凈水可用于測量來自反應(yīng)堆和如此遠距離的反中微子，這讓我們很感興趣。”

“我們花了很大力氣，從190天的數(shù)據(jù)中提取了一些信號，結(jié)果令人滿意。”