眾所周知，中微子是反社會的。在粒子物理學中，它們是最不情願與其他粒子相互作用的。每秒鐘有數千億箇中微子穿過你的身體，但每週只有大約一箇中微子會真正與你身體中的粒子發生碰撞。
這種罕見性讓物理學家們的生活很艱難，他們不得不建造巨大的地下探測器水箱，以期有機會捕捉到奇特的中微子。但在今天發表在《科學》雜誌上的研究中，在橡樹嶺國家實驗室（ORNL）工作的研究人員使用一個消防栓大小的探測器，探測到了前所未見的中微子相互作用。他們的壯舉為新的超新星研究、暗物質搜尋甚至核不擴散監測鋪平了道路。
在以前的方法中，中微子透過在原子核周圍的巨大空虛中偶然碰到質子或中子來顯露自身，產生閃光或單原子化學變化。但是，中微子只通過“弱”力——導致放射性物質衰變的根本力——與其他粒子通訊。由於弱力只在亞原子距離上起作用，因此一個微小的中微子從單箇中子或質子反彈的可能性微乎其微。物理學家必須提供數千噸原子，以補償中微子可能撞擊的機率。
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新的實驗合作，稱為COHERENT，而是尋找一種稱為CEvNS（發音為“七分”）的現象，即相干彈性中微子-原子核散射。CEvNS依賴於粒子和波之間的量子力學等價性，與海浪相當。大多數實驗所尋求的高能中微子就像短而急促的海浪。當這種狹窄的波浪穿過漂浮的碎片時，它們可以一次挑選出一片葉子或一根樹枝來拋擲。類似地，高能中微子通常會挑選出單個質子和中子與之相互作用。但就像長而慢的波浪會一次撿起整塊碎片一樣，低能中微子將整個原子核視為一個“相干”的整體。這大大提高了相互作用的機率。隨著原子核中中子數量的增加，中微子撞擊的有效目標尺寸不僅與該數量成正比增長，而且還與該數量的平方成正比增長。
當然，一旦中微子和原子核碰撞，仍然必須檢測到碰撞。中微子反彈並繼續其難以理解的遊蕩，但原子核也會因撞擊而略微後退。這種震動將一些電子從它們圍繞原子核及其鄰居的軌道中踢出。當電子回到原位時，它們會以光子的形式釋放所獲得的能量。每個光子爆發都是中微子的名片。
中微子巷
儘管它們比其他中微子碰撞的發生率高几個數量級，但CEvNS相互作用對檢測構成了巨大的挑戰——以至於自從該機制在43年前首次被理論化以來，沒有任何研究觀察到它們。COHERENT的成功歸功於其中微子源和目標材料的選擇——以及一條狹窄的地下室走廊的意外幫助。
COHERENT面臨的第一個問題是核反衝的極度微小。“想象一下，你拿一個乒乓球，然後把它扔向一個保齡球，”坦普爾大學物理學教授吉姆·納波利塔諾說，他沒有參與這項研究。“我們從動量守恆定律中得知，少量能量會傳遞給保齡球。這個[實驗]正在檢測保齡球的能量”——大約10個光子的訊號。
因此，COHERENT面臨的挑戰是找到一種具有足夠大原子核的材料，以便中微子可以輕易撞擊，但也要足夠小，以便它們在撞擊時會明顯反衝。此外，該材料必須是透明的，以便光子可以到達探測器。“這花了我很多思考——也許15年，”芝加哥大學物理學教授、該研究的主要作者之一胡安·科勒說。
第二個限制是中微子本身。理論上，快速移動的中微子的反衝會更大，因此更容易被發現——但如果中微子速度太快，它們將擁有太多能量而無法相干地相互作用。最終，科勒和他的同事們意識到摻鈉的碘化銫（一種透明的晶體材料）將是散裂中子源（SNS）副產品產生的理想目標，SNS 是 ORNL 的中子產生粒子對撞機。
用於 SNS 粒子加速器的低溫模組，該加速器產生中子，沿光束線分配到實驗站。產生中子的同一過程也產生中微子，中微子進入 SNS 地下室的 COHERENT 探測器。圖片來源：讓·拉夏 芝加哥大學
但是使用 SNS 作為中微子源增加了一個第三個複雜因素。中子可以令人信服地模仿中微子：它們沒有電荷，因此不會出現在電磁探測器上，並且它們可以像中微子一樣撞擊原子核。當 COHERENT 團隊首次測試 SNS 地面時，桑迪亞國家實驗室的合著者大衛·雷納說，他們發現中子從 SNS 的中子產生地點流出，正如預期的那樣——但也湧入了鄰近實驗廳的遮蔽層。來自中子的探測器噪音非常嚴重，以至於研究人員擔心他們可能根本無法使用該設施。
幸運的是，ORNL 的粒子物理學教授 尤里·葉夫雷緬科 有一個幸運的發現：SNS 對撞機下方的地下室走廊。儘管靠近中子源，但它恰好被支撐對撞機多噸混凝土的緻密壓實土壤遮蔽。在與 ORNL 安全團隊談判後，COHERENT 團隊移走了存放在走廊中的空桶，並在他們新的“中微子巷”中開始工作。
充滿中微子的未來
專家們對 COHERENT 的結果讚不絕口。麻省理工學院物理學教授珍妮特·康拉德說她“真的，真的很高興”。納波利塔諾稱這篇論文“具有紀念意義”和“一項巨大的成就”。與《大眾科學》交談的任何外部專家都沒有對這篇論文提出任何技術上的異議。憑藉對 CEvNS 現象的如此令人信服的演示，科學家們現在可以從尋找它轉向使用它。
最大的意義在於擁有科勒所說的“手持式中微子探測器”。小型化將對中微子研究人員大有裨益；康拉德指出，她之前的實驗之一儘管有 40 英尺高，但在其名稱中帶有“迷你”。（較大的探測器對於研究無法用 CEvNS 測量的中微子特性仍然有用。）小型探測器最終還可以協助國際原子能機構監測核反應堆，以秘密生產原子武器的燃料，雷納說。反應堆堆芯泵出的中微子無法遮蔽或隱藏，因此如果可以調整 CEvNS 探測器以發現這些低能中微子，檢查員可以遠端檢查反應堆的活動是否與運營商的宣告相符。
CEvNS 現象本身也開闢了新的科學前沿。科勒和他的同事們已經在努力測試不同材料中中微子探測率是否與理論預測相符。這些相同的理論控制著超新星中發生的事情，超新星將其 99% 的能量以中微子的形式釋放出來。這意味著除了探測超新星之外，進一步的 CEvNS 實驗還可以證實或駁斥這些巨大的恆星爆炸模型。暗物質研究人員正在鬆一口氣，因為 CEvNS 的近親可以支援正在進行的對一種假設的暗物質形式的搜尋，這種暗物質被稱為弱相互作用大質量粒子（WIMP）。科勒說，COHERENT 的發現支援了 WIMP 理論的可行性，並指明瞭未來檢測技術的方向。
密歇根大學物理學家 喬什·斯皮茨 說，所有這些潛在的進步都讓物理學家們興奮不已。“這項[研究]只是冰山一角。還有更多有趣的東西即將到來。”