摘要

反中微子是中微子的反粒子，它們?cè)诤朔磻?yīng)堆中產(chǎn)生，可以用來研究核物理和粒子物理的一些重要問題。然而，反中微子很難探測(cè)，因?yàn)樗鼈兣c普通物質(zhì)的相互作用非常微弱。目前，大多數(shù)反中微子探測(cè)器都使用液體閃爍體或者氣體比例計(jì)數(shù)管等敏感介質(zhì)，來捕獲反中微子與質(zhì)子的逆β衰變過程。

這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正電子和一個(gè)中子，它們分別發(fā)出切倫科夫光和伽馬射線，形成一個(gè)時(shí)間和空間上相關(guān)的信號(hào)。然而，這種方法也有一些缺點(diǎn)，比如需要大量的有機(jī)物質(zhì)、易受到本底放射性的干擾、難以擴(kuò)大探測(cè)體積等。

SNO 實(shí)驗(yàn)是一個(gè)位于加拿大安大略省的水切倫科夫探測(cè)器，它原本是用來研究太陽中微子和雙β衰變的。但是，在2018年，SNO 合作組利用純水階段的數(shù)據(jù)，首次在水切倫科夫探測(cè)器中發(fā)現(xiàn)了來自遠(yuǎn)距離（至少240公里）核反應(yīng)堆的反中微子信號(hào)。這是一個(gè)令人興奮的突破，因?yàn)樗砻髁思兯部梢宰鳛橐环N有效的反中微子探測(cè)介質(zhì)，而且可以覆蓋更大的探測(cè)范圍。

方法

SNO 實(shí)驗(yàn)使用了一個(gè)直徑為12米、裝滿超純水的球形罐作為主探測(cè)器，罐壁上布滿了9500個(gè)光電倍增管（PMT），用來收集切倫科夫光。為了降低本底放射性，罐內(nèi)外都有一層水作為屏蔽層，并且罐體被埋在地下2公里深處。此外，SNO 還使用了一些外部探測(cè)器，比如液閃狀況器、中子標(biāo)定源、氦三比例計(jì)數(shù)管等，用來監(jiān)測(cè)和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)條件。

SNO 合作組分析了2018年4月至10月期間的190天數(shù)據(jù)，總共有約2.3×102?個(gè)質(zhì)子參與探測(cè)。他們使用了兩種不同的方法來篩選和識(shí)別反中微子事件：一種是基于能量和時(shí)間窗口的切割法，另一種是基于多變量分析的提升決策樹法。兩種方法都利用了正電子和中子信號(hào)之間的時(shí)間差、空間距離、能量大小等特征來區(qū)分反中微子事件和本底事件。

結(jié)果

兩種方法得到了一致的結(jié)果：在190天數(shù)據(jù)中，觀測(cè)到了17.9±5.1個(gè)反中微子事件，而預(yù)期的本底事件為9.7±1.6個(gè)。這個(gè)結(jié)果與來自加拿大安大略省核反應(yīng)堆的反中微子通量的預(yù)測(cè)相符合，達(dá)到了3.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的顯著性水平。這是第一次在水切倫科夫探測(cè)器中探測(cè)到反中微子信號(hào)，也是第一次使用低于2.6 MeV的能量范圍來探測(cè)反中微子。這個(gè)能量范圍比以往的液閃或者氣體探測(cè)器都要低，展示了水切倫科夫探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)和潛力。

SNO 實(shí)驗(yàn)的這項(xiàng)成果為反中微子物理學(xué)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，也為未來的水切倫科夫探測(cè)器提供了一個(gè)新的應(yīng)用方向。利用純水探測(cè)反中微子，可以避免使用有機(jī)物質(zhì)帶來的一些問題，比如化學(xué)污染、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、本底放射性等。而且，水切倫科夫探測(cè)器可以擴(kuò)大到更大的體積，從而增加探測(cè)效率和靈敏度。此外，水切倫科夫探測(cè)器還可以同時(shí)探測(cè)其他類型的中微子，比如太陽中微子、大氣中微子、超新星中微子等，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)和多信道的物理研究。

當(dāng)然，水切倫科夫探測(cè)器也有一些挑戰(zhàn)和局限性，比如需要更高的純度和更低的本底、難以重建事件的方向和頂點(diǎn)、受到地球磁場(chǎng)和地震等因素的影響等。因此，SNO 合作組正在繼續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和分析方法，以期提高反中微子探測(cè)的精度和穩(wěn)定性。未來，SNO 還計(jì)劃使用其他介質(zhì)，比如閃爍液體或者碲化物溶液，來進(jìn)行更深入的反中微子物理學(xué)和雙β衰變物理學(xué)的研究。