仅重几千克的实验装置，成功捕捉到幽灵粒子

中微子是一种不带电的基本粒子，常被称为“幽灵”粒子，这是因为它与其他物质的相互作用非常微弱，因此极难被探测到。

大多数中微子实验通常通过捕捉中微子与电子、质子或中子碰撞时产生的微弱闪光信号来捕捉这些神秘的粒子。但由于这些碰撞极其罕见，因此传统的用于捕捉中微子的探测器都体积庞大、质量高达几吨乃至上千吨，这样才能提供足够的靶材料来提升探测几率。

在一项新的研究中，物理学家利用一个仅重几千克的装置（比标准中微子探测器低几个数量级），成功捕捉到了来自核反应堆的中微子。物理学家希望新的测量能够用来检验标准模型（描述基本粒子以及它们之间相互作用的理论框架）的预测，甚至可能揭示超越标准模型的新物理现象。

这项实验被命名为CONUS+，研究成果已于近日发表在《自然》杂志上。

相干散射机制

1974年，物理学家预测，当中微子与原子核发生微小的动量交换时，有可能与整个原子核中的所有核子（质子和中子）发生“相干散射”。

在这种“中微子-原子核相干散射”（CEνNS）中，中微子把整个原子核当作一个整体来看待。这种相干散射的反应率大致正比于靶核中中子数的平方。因此，如果一个原子核有很多中子，那么中微子发生散射的几率会高出好几个数量级。这意味着，利用这一机制，原则上可以将探测器做得很小，甚至只重达几千克。

虽然中微子通过相干散射更容易被探测到，但它们在碰撞中释放的能量非常低，导致信号极其微弱。就像一颗乒乓球撞上轮船，理论上有反冲，但实际上几乎无法察觉。正因为如此，虽然CEνNS机制早在1974年就被理论预测，但过去几十年来都难以测量这种反冲信号。

直到43年后，也就是2017年，COHERENT实验团队在碘化铯（CsI）晶体中成功探测到CEνNS。随后，COHERENT实验团队又使用氩（Ar）和锗（Ge）作为靶材料，进一步验证了最初的相干散射观测结果。

加速器与反应堆

在COHERENT实验中，中微子来自“散裂中子源”（SNS）。这些由加速器产生的中微子能量较高，这就为CEνNS研究带来一个挑战：这些中微子无法与原子核以“完全相干”的方式相互作用。

相比之下，来自核反应堆的中微子能量更低。因此，使用核反应堆作为中微子来源，可为CEνNS研究提供一种新的实验路径。拥有这种“低能量”特性的反应堆中微子，能在测试某些“超出标准模型”的理论参数方面具有更高的灵敏度。然而，捕捉反应堆中微子是一项更具挑战的任务。

在新的研究中，来自“中微子-原子核相干散射”（CONUS）合作组的研究人员，报道了由CONUS+实验所观测到的中微子事件，其中的中微子能量是目前所有已探测中微子中最低的。

小探测器实现大科学

CONUS探测器由4个高纯锗晶体模块组成，每个模块重约1千克。CONUS实验最初于2018年设立在德国布罗克多夫的一座核电站，直到反应堆关闭，目前已迁至瑞士莱布施塔特的核电站，并升级为“CONUS+”。

CONUS+实验的探测器体积小巧，距离反应堆堆芯仅20.7米，在这个位置，每秒每平方厘米就有超过10万亿个中微子穿过，非常适合高通量探测。（图/MPIK）

CONUS+实验旨在利用核反应堆产生的反中微子来探测CEνNS（中微子和反中微子都可以发生CEνNS）。由于核反应堆中产生的反中微子能量低于10兆电子伏，因此预期能引发“完全相干”的散射事件。

研究人员分析了2023年11月至2024年7月间的CONUS+数据，报告观测到395±106个类似CEνNS的事件，而标准模型预测的事件为347±59个。这一结果与理论预测高度吻合，并在测量误差范围内，达到了3.7个标准差（3.7σ）的统计显著性。

接下来，研究人员的目标是进一步提高测量结果的统计显著性。在高能物理中，通常需要至少达到 5σ，实验结果才会被视为确凿无疑。

应用前景

研究人员表示，相干散射技术不太可能完全取代现有中微子探测技术，但其优势在于能够在低能区探测所有三种已知中微子类型及其反粒子，而其他方法往往只能探测其中一种。这种能力将使其成为未来大型高能中微子观测计划的有力补充。

随着未来实验精度的不断提升，物理学家甚至有机会实现一些基础性的重大发现。因此，CONUS+的实验结果结合其他的测量，有可能标志着中微子物理研究迈入一个新时代的起点。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09322-2

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02134-4

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02404-1

https://www.eurekalert.org/news-releases/1092670

#图片来源：

封面图&首图：Susan Wilkinson / Unsplash