在150英里外的纯净水中探测到核电站的幽灵光芒

在加拿大安大略省，一罐最纯净的水被埋在数公里深的岩石下，当几乎检测不到的颗粒撞击其分子时，水箱闪烁着。

上图：SNO+探测器。

这是第一次用水来探测一种被称为“反中微子”的粒子，这种粒子来自150英里（240多公里）外的核反应堆。这一令人难以置信的突破，使中微子实验和监测技术能够使用廉价、容易获得和安全的材料。

作为宇宙中最丰富的粒子之一，中微子是一种奇怪的小东西，有很大的潜力揭示对宇宙的更深入了解。不幸的是，它们几乎没有质量，不带电荷，几乎不与其他粒子相互作用。它们大多在空间和岩石中流动，就好像所有的物质都是无形的。它们被称为幽灵粒子是有原因的。

反中微子是与中微子对应的反粒子。通常，反粒子的电荷与其等效粒子的电荷相反。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，科学家只能根据电子中微子将伴随正电子突然出现，而电子反中微子与电子一起出现这一事实来区分两者。

电子反中微子会在核衰变过程中释放出来，这是一种放射性衰变，其中一个中子衰变为一个质子、一个电子和反中微子。其中一个电子反中微子可以与质子相互作用，产生一个正电子和一个中子，这种反应被称为“逆β衰变”。

上图：工作中的SNO+探测器。

装有光电倍增管的装满液体的大罐子，被用来探测这种特殊的衰变。它们被设计用来捕捉“切伦科夫”辐射的微弱光芒，切伦科夫辐射是由带电粒子以高于光速通过液体的速度产生的，类似于通过打破音障而产生的音爆。所以它们对非常微弱的光非常敏感。

核反应堆可以产生大量的反中微子，但它们的能量相对较低，这使得它们很难被探测到。

让我们进入SNO +。它被埋在超过2公里（1.24英里）的岩石下，是世界上最深的地下实验室。这种岩石屏蔽提供了一个有效的屏障，防止宇宙射线的干扰，使科学家能够获得异常清晰的信号。

如今，实验室780吨重的球形水箱里装满了线性烷基苯，这是一种可以放大光线的液体闪烁体。早在2018年，该设施正在进行校准时，里面装满了超纯水。

通过梳理2018年校准阶段收集的190天的数据，SNO+合作发现了反向β衰变的证据。在这一过程中产生的中子被水中的氢原子核捕获，从而在2.2兆电子伏特的特定能级上产生了柔和的光华。

水切伦科夫探测器通常很难探测到低于3兆电子伏的信号，但充满水的SNO+能够检测到1.4兆电子伏。这使得检测2.2兆电子伏特信号的效率约为50%，因此研究小组认为寻找逆β衰变的迹象是值得的。

上图：建设完成的SNO+探测器。

对候选信号的分析，确定它可能是由反中微子产生的，置信水平为3西格玛 —— 99.7%的概率。

这一结果表明，水探测器可以用来监测核反应堆的电力生产。

与此同时，SNO+正被用于帮助更好地理解中微子和反中微子。因为中微子是不可能直接测量的，所以我们对它们知之甚少。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、从未见过的衰变可以回答这个问题。SNO+目前正在寻找这种衰变。

SNO+合作项目和加州大学伯克利分校的物理学家洛根·利巴诺夫斯基（Logan Lebanowski）说：“纯水可以用来测量反应堆中的反中微子，而且距离如此之远，这引起了我们的兴趣。我们花了大量精力从190天的数据中提取少量信号。结果令人欣慰。”

这项研究发表在《物理评论快报》上。

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