150 英里外,核電站“幽靈光芒”現於純淨水
早在 2018 年,在加拿大安大略省地下數千米的岩石下,有一罐最純淨的水,因幾乎難以探測的粒子穿過其分子而閃爍。
這一令人難以置信的突破爲採用廉價、易獲取且安全材料的中微子實驗和監測技術帶來了希望。
作爲宇宙中最豐富的粒子之一,中微子是奇怪的小東西,在揭示宇宙更深刻的奧秘方面具有很大潛力。不幸的是,它們幾乎沒有質量,不帶電荷,幾乎根本不與其他粒子相互作用。它們大多像穿過空間那樣穿過岩石,彷彿所有物質都沒有實體。它們被稱爲幽靈粒子是有原因的。
反中微子是中微子的反粒子對應物。通常,反粒子與其等效粒子具有相反的電荷;例如,帶負電荷的電子的反粒子是帶正電荷的正電子。由於中微子不帶電荷,科學家只能依據這一事實來區分二者,即電子中微子會與正電子一起出現,而電子反中微子會與電子一起出現。
電子反中微子 在覈β衰變過程中會被釋放出來,這是一種放射性衰變,其中一箇中子衰變成一個質子、一個電子和一個反中微子。然後,這些電子反中微子中的一個可以與一個質子相互作用,產生一個正電子和一箇中子,這種反應稱作逆β衰變。
配備光電倍增管的大型液體填充罐用於檢測這種特殊類型的衰變。它們的設計目的是捕捉帶電粒子在液體中移動速度超過光速時所產生的 切倫科夫輻射 的微弱光芒,就類似於突破音障時產生的音爆那樣。所以它們對非常微弱的光非常敏感。
核反應堆會大量產出反中微子,不過它們的能量相對較低,這就導致它們難以被檢測出來。
進入 SNO+。它位於超過 2 千米(1.24 英里)的岩石之下,是世界上最深的地下實驗室。這種岩石屏蔽能有效地阻擋宇宙射線的干擾,讓科學家能夠獲取異常清晰的信號。
如今,該實驗室的 780 噸球形罐裝滿了線性烷基苯,這是一種能放大光的液體閃爍體。早在 2018 年,該設施進行校準時,裡面裝滿了超純水。
通過梳理 2018 年校準階段所收集的 190 天的數據,SNO+合作團隊發現了逆β衰變的證據。在此過程中產生的中子被水中的氫原子核捕獲,進而在一個非常特定的 2.2 兆電子伏特的能量水平產生柔和的光爆發。
水切倫科夫探測器通常難以探測到低於 3 兆電子伏特的信號;但充滿水的 SNO+能夠探測到低至 1.4 兆電子伏特。這使得在 2.2 兆電子伏特探測信號的效率約達 50%,因此該團隊認爲尋找逆β衰變的跡象值得一試。
對候選信號的分析表明,它極有可能是由反中微子產生的,其置信水平爲 3 西格瑪,即概率爲 99.7%。
這一結果表明,水探測器能夠用於監測核反應堆的功率輸出。
與此同時,SNO+ 正被用於更好地理解中微子和反中微子。因爲中微子 無法直接測量,所以我們 對其知之甚少。其中最大的問題之一是中微子和反中微子究竟是否爲完全相同的粒子。一種罕見的、前所未見的衰變將回答這個問題。SNO+ 目前正在尋找這種衰變。
“純淨的水竟然能夠用於測量來自反應堆且處於如此遠距離的反中微子,這令我們很感興趣,” SNO+ 合作組織以及加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家洛根·勒巴諾夫斯基(Logan Lebanowski)在 2023 年 3 月說道。
“我們費了好大的勁兒從 190 天的數據中提取出少量信號。這結果挺讓人滿意的。”