摘要：中微子是宇宙中最难以捉摸的粒子之一。每秒约有600亿个中微子从太阳穿过地球，穿过地球表面的每一平方厘米。由于这些粒子很少与物质发生相互作用，因此它们在地球上移动时不会受到任何阻力。

几十年来，科学家们一直在努力捕捉中微子——一种能够穿过一切（包括地球本身）的微小、几乎看不见的粒子。

现在，一项突破已经到来：研究人员利用一个午餐盒大小的探测器，终于捕捉到了这些幽灵般的粒子在核反应堆内部相互作用的现象。

微型探测器，大发现：捕捉难以捉摸的中微子

中微子是宇宙中最难以捉摸的粒子之一。每秒约有600亿个中微子从太阳穿过地球，穿过地球表面的每一平方厘米。由于这些粒子很少与物质发生相互作用，因此它们在地球上移动时不会受到任何阻力。

尽管科学家多年前就提出了中微子的存在，但直到几十年后才成功观测到它们。由于中微子与周围物质的相互作用非常微弱，探测中微子通常需要巨大而灵敏的设备。

现在，海德堡马克斯普朗克核物理研究所（MPIK）的研究人员取得了突破：CONUS+实验使用重量仅为3公斤的探测器成功探测到核反应堆产生的反中微子。

从发电厂到精密仪器：CEvNS 的实际应用

CONUS 实验最初设在德国布罗克多夫核电站，但在 2023 年夏天，它被转移到瑞士莱布施塔特核电站 (KKL)。此次搬迁，加上其 1 公斤锗半导体探测器的升级以及 KKL 理想的测量条件，使得研究人员能够首次在这种环境下探测到一种名为相干弹性中微子-核散射 (CEvNS) 的罕见过程。

在 CEvNS 中，中微子不是与原子核的各个部分相互作用，而是与整个原子核相互作用。这种相互作用增加了产生整个原子核非常微妙但可测量的反冲的可能性。为了描绘这种效应，想象一下一个乒乓球从一辆停着的汽车上弹起。汽车几乎不动，但运动是可以检测到的。在 CONUS+ 中，锗原子核充当“汽车”，记录着反冲。为了观察这一现象，研究人员依赖于低能中微子，这些中微子在核反应堆内大量产生。

历史性突破：探测完全相干的反应堆中微子

这一效应早在1974年就被预测到，但直到2017年才由粒子加速器上的相干实验（COHERENT）首次证实。正如最近发表在《自然》杂志上的一篇研究文章所述，CONUS+实验首次在反应堆中成功观测到完全相干和较低能量下的这一效应。

紧凑型 CONUS+ 装置距离反应堆核心 20.7 米。在此位置，每秒有超过 10 万亿个中微子流经每平方厘米的表面。在 2023 年秋季至 2024 年夏季期间进行了约 119 天的测量后，研究人员在扣除所有背景信号和干扰信号后，从 CONUS+ 数据中提取出了 395±106 个过剩中微子信号。该值与理论计算值在测量不确定度范围内高度一致。

“我们成功证实了 CONUS+ 实验的灵敏度及其探测原子核反中微子散射的能力，”该研究的作者之一 Christian Buck 博士解释道。他还强调，开发小型移动式中微子探测器来监测反应堆热量输出或同位素浓度，是本文提出的 CEvNS 技术未来的潜在应用。

打开新物理学的大门：CONUS+ 的未来

CEvNS 测量为理解粒子物理学标准模型（即描述宇宙结构的现行理论）中的基本物理过程提供了独特的见解。与其他实验相比，使用 CONUS+ 进行的测量可以减少对核物理方面的依赖，从而提高对超越标准模型的新物理现象的灵敏度。因此，CONUS+ 已于 2024 年秋季配备了改进型、更大的探测器。凭借由此带来的测量精度，预计测量结果将更加准确。

“CONUS+ 所采用的技术和方法在基础性新发现方面拥有巨大的潜力，”该项目发起人兼研究作者林德纳教授强调道。“因此，CONUS+ 的突破性成果可能标志着中微子研究新领域的起点。”

来源：科学新鲜事