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3公斤探测器破解50年难题 科学家首次在反应堆附近捕获"幽灵粒子"

游戏天地 2025年08月02日 15:36 2 admin

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3公斤探测器破解50年难题 科学家首次在反应堆附近捕获"幽灵粒子"

每秒钟有600亿个中微子从太阳穿过地球表面每平方厘米，这些被称为"幽灵粒子"的基本粒子几乎不与任何物质发生相互作用。现在，德国马ック斯·普朗克核物理研究所的科学家们使用仅重3公斤的探测器，成功在瑞士莱布施塔特核电站附近实现了一项物理学界追求半个世纪的突破——探测到了极其罕见的相干弹性中微子-核散射现象。

这项发表在《自然》期刊上的研究成果，不仅验证了1974年提出的理论预测，更为开发小型化、便携式中微子探测器铺平了道路，有望在核反应堆监测、同位素浓度检测等领域带来革命性应用。

3公斤探测器破解50年难题 科学家首次在反应堆附近捕获"幽灵粒子"

瑞士Leibstadt反应堆内CONUS+探测器的位置和尺寸。来源：MPIK

从理论到现实的漫长征程

中微子的探测历史充满了挑战。这些基本粒子与物质的相互作用极其微弱，传统的中微子探测实验通常需要建造巨大的设备来弥补这一不足。然而，CONUS+实验团队选择了一条不同的路径——利用相干弹性中微子-核散射效应来增强探测概率。

在这一过程中，中微子不是与原子核的单个组成部分发生散射，而是与整个原子核发生相干散射。这种相互作用方式显著提高了产生微小但可观测的核反冲的概率。研究团队将这种效应比作乒乓球撞击汽车，探测的是汽车运动状态的改变。在CONUS+实验中，散射对象是锗原子核。

该效应早在1974年就被理论预测，但直到2017年才被粒子加速器上的COHERENT实验首次证实。CONUS+实验现在成功地在反应堆环境中以更低的能量观察到了完全相干状态下的这一效应，这是该领域的重要里程碑。

精密工程的技术突破

CONUS+实验装置最初部署在德国布罗克多夫核电站，2023年夏季迁移至瑞士莱布施塔特核电站。新的部署位置距离反应堆堆芯仅20.7米，在这个位置上，每秒钟有超过10万亿个中微子穿过每平方厘米的表面。

实验团队对1公斤锗半导体探测器进行了改进，结合莱布施塔特核电站优越的测量条件，使得这一突破成为可能。从2023年秋季到2024年夏季，经过约119天的测量，研究人员在扣除所有背景和干扰信号后，从CONUS+数据中提取出了395±106个中微子信号的过量。这一数值在测量不确定性范围内与理论计算非常吻合。

研究共同作者克里斯蒂安·巴克博士表示："我们成功确认了CONUS+实验的敏感性及其探测原子核反中微子散射的能力。"他还强调了开发小型移动中微子探测器来监测反应堆热输出或同位素浓度作为CEvNS技术未来可能应用的潜力。

标准模型验证与新物理探索

CEvNS测量为理解粒子物理标准模型——描述宇宙结构的当前理论——中的基本物理过程提供了独特见解。与其他实验相比，CONUS+的测量减少了对核物理方面的依赖，从而提高了对标准模型之外新物理的敏感性。

这种技术优势使得CONUS+能够更精确地探测可能存在的新物理现象。标准模型虽然在解释已知粒子和相互作用方面非常成功，但科学家们相信仍有未知的物理定律等待发现。中微子由于其独特的性质，被认为是探索这些新物理现象的理想探针。

项目发起人林德纳教授强调："CONUS+中使用的技术和方法具有基础性新发现的卓越潜力。因此，这些突破性的CONUS+结果可能标志着中微子研究新领域的起点。"

技术应用的广阔前景

这项技术突破的意义远超基础科学研究。小型化中微子探测器的成功开发为多个实际应用领域开辟了可能性。在核能监管方面，这种便携式探测器可以实时监测反应堆的运行状态和燃料消耗情况，为核安全提供新的保障手段。

在核不扩散监测领域，这种技术可能用于远程检测核材料的存在和浓度，为国际原子能机构等组织提供新的监管工具。此外，这种高精度的中微子探测技术还可能在地球物理学研究中发挥作用，帮助科学家更好地理解地球内部结构和过程。

考虑到技术的进一步发展潜力，研究团队已在2024年秋季为CONUS+配备了改进的更大探测器。随着测量精度的提升，预期将获得更好的实验结果，为这一新兴技术领域的发展奠定更坚实的基础。

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