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美国实验发现新的中微子反应 精选

已有 7634 次阅读 2017-8-6 00:13 |个人分类:我的物理|系统分类:科普集锦

假如用它来探测核反应堆产生的中微子,反应几率可比现在常用的方法提高50倍。


2017年8月3日,美国COHERENT实验首次探测到中微子的相干散射过程。论文发表在《Science》杂志上。这是一种寻找了43年的反应过程,量子力学清楚地预言了它的存在,但探测非常困难。假如用它来探测核反应堆产生的中微子,反应几率可比现在常用的方法提高50倍。它的发现有望使中微子探测器小型化,可能会成为中微子研究的新热点。

中微子最大的特点之一就是几乎不与物质反应,因此它能轻松穿过整个地球或太阳,成为刺探星体内部的探针。与这个特长相伴的就是它极难探测,正在设计或建设中的下一代主流中微子实验都需要几万吨探测材料,比如美国DUNE实验采用1到4万吨液氩,日本超超级神冈采用50万吨纯水,印度INO采用5万吨铁,中国江门实验采用2万吨液体闪烁体,等等。这样巨大的探测器才有可能在万亿个经过的中微子中抓到一两个。

如果能够提高中微子与物质反应几率,当然是中微子科学家梦寐以求的事。中微子与物质有多种反应方式,实验上探测哪种反应由科学目标决定。以较简单的反应堆中微子为例:

• 一种是在氢核(即质子)上俘获,生成一个正电子和一个中子,称为反贝塔衰变反应(IBD),这是最常用的探测方式;

• 一种是在电子上散射,它的反应几率比IBD小几倍,而且很难跟本底分开,只有少数几个实验采用,测量中微子磁矩;

• 还有一种是在原子核内的核子上散射,它不仅反应几率小,而且由于原子核很重,就像一个乒乓球(中微子)撞上铅球(原子核)一样,铅球几乎得不到能量,因此极难探测,没有人用。

中微子与原子核散射,低能时同时看到原子核内的所有核子

中微子与原子核散射,低能时同时看到原子核内的所有核子


不过对低能中微子,它有可能发生一种相干散射过程,它跟上述第3种相似,但中微子一次不是跟一个核子,而是跟原子核内的所有的核子发生散射。根据量子力学,反应的振幅等于所有核子相加,因此正比于核子数,而反应的几率是振幅的平方,正比于核子个数的平方(严格地说,中子的贡献为主)。比如COHERENT实验这次用的碘化铯晶体,碘和铯都比较重,分别包含127和133个核子,这样反应几率就是在单个核子上散射几率的1万倍。考虑到在核子上发生反应的几率原本比较小,优劣相抵后反应几率仍然比IBD和在电子上散射高百倍。

相干散射(蓝线)比IBD(红线)和中微子-电子散射(红虚线)反应截面高上百倍

相干散射(蓝线)比IBD(红线)和中微子-电子散射(红虚线)反应截面高上百倍


发生相干散射的关键是能量转移很小,这样波长足够长,覆盖了整个原子核,原子核内的所有核子都与这一个中微子相互作用,产生叠加。因此它不能探测高能中微子,中微子的能量不能大于几十MeV。

探测相干散射的关键则是极低本底和极低的能量探测能力(阈值),基本上就是一个暗物质探测器的要求,因此很困难。这也是为什么至今才探测到它的原因。同时,原子核越大,反应几率越高,但同时核反冲的能量也越低,越难探测。对反应堆中微子,用重核如碘、铯、氙、氩等探测相干散射需要能探测1 keV的能量,比IBD反应的能量小了1000倍。因此,COHERENT实验没有采用反应堆中微子(因为它更困难),而是能量相对较高的散裂中子源产生的中微子。

如果要探测核反应堆产生的中微子,最好采用类似于暗物质探测器的液氙探测器,探测到的中微子数是常用的IBD探测方式的50倍。不过这只是对单纯计数实验而言,对需要精确测量能谱的实验,相干散射就无能为力。

COHERENT实验包括几种不同的探测器,现在只有技术难度最小的碘化铯晶体探测器取得了成功。由于技术难度,用它研究中微子暂时还没有优势,随着技术成熟,也许会在中微子物理研究或应用上取得成效,比如研究中微子磁矩、非标准相互作用、研究核结构、以及监测核反应堆等。







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