在150英里外的純凈水中檢測(cè)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)公里巖石下的最純凈水箱在幾乎無(wú)法檢測(cè)到的顆粒撞擊其分子時(shí)閃現(xiàn)。

這是第一次用水來(lái)探測(cè)一種被稱為反中微子的粒子，它起源于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)、易獲得和安全材料的實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)技術(shù)。

作為宇宙中最豐富的粒子之一，中微子是奇怪的小東西，有很大的潛力揭示對(duì)宇宙的更深入的見(jiàn)解。不幸的是，它們幾乎是無(wú)質(zhì)量的，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流動(dòng)，好像所有的物質(zhì)都是無(wú)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(duì)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)，而電子反中微子與電子一起出現(xiàn)。

電子反中微子發(fā)出在核β衰變期間，一種放射性衰變，其中中子衰變成質(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)子相互作用以產(chǎn)生正電子和中子，這種反應(yīng)稱為逆β衰變。

內(nèi)襯光電倍增管的大型液體填充罐用于檢測(cè)這種特殊的衰變。它們旨在捕捉微弱的光芒切連科夫輻射由比光速更快的帶電粒子在液體中傳播產(chǎn)生，類似于打破聲障產(chǎn)生的音爆。所以它們對(duì)非常微弱的光線非常敏感。

核反應(yīng)堆會(huì)產(chǎn)生大量的反中微子，但它們的能量相對(duì)較低，這使得它們難以被發(fā)現(xiàn)。

進(jìn)入SNO+.它埋在超過(guò)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。這種巖石屏蔽提供了防止宇宙射線干擾的有效屏障，使科學(xué)家能夠獲得異常分辨的信號(hào)。

如今，該實(shí)驗(yàn)室的780噸球形罐中裝滿了線性烷基苯，這是一種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)，它就充滿了超純水。

梳理了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(guò)程中產(chǎn)生的中子被水中的氫核捕獲，氫核反過(guò)來(lái)在非常特定的能級(jí)（2.2兆電子伏特）下產(chǎn)生柔和的光芒。

水切倫科夫探測(cè)器通常難以探測(cè)低于 3 兆電子伏特的信號(hào);但是充滿水的SNO+能夠檢測(cè)到低至1.4兆電子伏特。這為檢測(cè)2.2兆電子伏特的信號(hào)產(chǎn)生了約50%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(duì)候選信號(hào)的分析確定它可能是由反中微子產(chǎn)生的，置信水平為3西格瑪 - 概率為99.7%。

結(jié)果表明，水探測(cè)器可用于監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆的發(fā)電量。

同時(shí)，SNO+正被用于幫助更好地理解中微子和反中微子。因?yàn)橹形⒆邮?a>無(wú)法直接測(cè)量我們對(duì)他們了解不多.最大的問(wèn)題之一是中微子和反中微子是否是完全相同的粒子。一個(gè)罕見(jiàn)的，從未見(jiàn)過(guò)的衰變可以回答這個(gè)問(wèn)題。SNO+目前正在尋找這種衰變。

“令我們感興趣的是，純水可以用來(lái)測(cè)量反應(yīng)堆和如此遠(yuǎn)的距離的反中微子，”物理學(xué)家洛根·萊巴諾夫斯基說(shuō)。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(hào)。結(jié)果是可喜的。

該研究已發(fā)表在物理評(píng)論信.

本文的一個(gè)版本于 2023 年 4 月首次發(fā)布。

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