在 150 英里外的純水中檢測到核電站的幽靈般的光芒

早在 2018 年，加拿大安大略省一個(gè)埋在數(shù)公里深巖石下的最純凈水的水箱閃過，幾乎無法檢測到的顆粒猛烈撞擊其分子。

這是第一次用水來探測一種被稱為反中微子的粒子，這種粒子起源于 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有望中微子使用廉價(jià)、易于獲取和安全材料的實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測技術(shù)。

作為宇宙中最豐富的粒子之一，中微子都是奇怪的小事，但有很大的潛力來揭示對宇宙的更深層次的見解。不幸的是，它們幾乎沒有質(zhì)量，沒有電荷，幾乎不與其他粒子相互作用。它們大多在太空中流動，巖石相似，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等效物相反;例如，帶負(fù)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(xué)家們只能區(qū)分兩者基于事實(shí)電子中微子將與正電子一起出現(xiàn)，而電子反中微子將與電子一起出現(xiàn)。

電子反中微子被發(fā)出在核 β 衰變期間，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，這些電子反中微子之一可以與質(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。

襯有光電倍增管的大型液體填充罐用于檢測這種特殊類型的衰變。它們旨在捕捉切倫科夫輻射由移動速度超過光速的帶電粒子可以穿過液體產(chǎn)生，類似于打破音障產(chǎn)生的音爆。所以他們對非常微弱的光線非常敏感。

核反應(yīng)堆大量產(chǎn)生反中微子，但它們的能量相對較低，這使得它們難以檢測。

進(jìn)入SNO+.它埋在超過 2 公里（1.24 英里）的巖石下，是世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室。這種巖石屏蔽層提供了有效的屏障，防止宇宙射線的干擾，使科學(xué)家能夠獲得非常分辨的信號。

如今，該實(shí)驗(yàn)室的 780 噸球形儲罐中裝滿了線性烷基苯，這是一種可以放大光線的液體閃爍體。早在 2018 年，當(dāng)該設(shè)施進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，它充滿了超純水。

梳理 2018 年校準(zhǔn)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原子核捕獲，進(jìn)而產(chǎn)生非常特定的能級（2.2 兆伏特）的柔和光暈。

Water Cherenkov 探測器通常難以檢測低于 3 兆伏的信號;但是充滿水的 SNO+ 能夠檢測到低至 1.4 兆伏的電子。這產(chǎn)生了大約 50% 的檢測 2.2 兆伏特信號的效率，因此該團(tuán)隊(duì)認(rèn)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——概率為 99.7%。

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。

同時(shí)，SNO+ 正被用于幫助更好地了解中微子和反中微子。因?yàn)橹形⒆邮?a>無法直接測量我們對他們了解不多.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(gè)問題。SNO+ 目前正在尋找這種衰減。

“讓我們感到好奇的是，純水可以用來測量來自反應(yīng)堆的反中微子，而且距離如此之遠(yuǎn)，”物理學(xué)家洛根·萊巴諾夫斯基 （Logan Lebanowski） 說SNO+ 合作和加州大學(xué)伯克利分校，早在 2023 年 3 月。

“我們花費(fèi)了大量精力從 190 天的數(shù)據(jù)中提取了一些信號。結(jié)果令人欣慰。

該研究已發(fā)表在物理評論信.

本文的一個(gè)版本于 2023 年 4 月首次發(fā)布。

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