用纯水探测远距离反应堆的反中微子：SNO+实验的新证据

摘要

反中微子是中微子的反粒子，它们在核反应堆中产生，可以用来研究核物理和粒子物理的一些重要问题。然而，反中微子很难探测，因为它们与普通物质的相互作用非常微弱。目前，大多数反中微子探测器都使用液体闪烁体或者气体比例计数管等敏感介质来捕获反中微子与质子的逆β衰变过程：

这个过程会产生一个正电子和一个中子，它们分别发出切伦科夫光和伽马射线，形成一个时间和空间上相关的信号。然而，这种方法也有一些缺点，比如需要大量的有机物质、易受到本底放射性的干扰、难以扩大探测体积等。

SNO+实验是一个位于加拿大安大略省的水切伦科夫探测器，它原本是用来研究太阳中微子和双β衰变的。

但是，在2018年，SNO+合作组利用纯水阶段的数据，首次在水切伦科夫探测器中发现了来自远距离（至少240公里）核反应堆的反中微子信号。这是一个令人兴奋的突破，因为它表明了纯水也可以作为一种有效的反中微子探测介质，而且可以覆盖更大的探测范围。

方法

SNO+实验使用了一个直径为12米、装满超纯水的球形罐作为主探测器，罐壁上布满了9500个光电倍增管（PMT），用来收集切伦科夫光。

为了降低本底放射性，罐内外都有一层水作为屏蔽层，并且罐体被埋在地下2公里深处。

此外，SNO+还使用了一些外部探测器，比如液闪状况器、中子标定源、氦三比例计数管等，用来监测和标定实验条件。

SNO+合作组分析了2018年4月至10月期间的190天数据，总共有约2.3×10²⁰个质子参与探测。

他们使用了两种不同的方法来筛选和识别反中微子事件：一种是基于能量和时间窗口的切割法，另一种是基于多变量分析的提升决策树法。两种方法都利用了正电子和中子信号之间的时间差、空间距离、能量大小等特征来区分反中微子事件和本底事件。

结果

两种方法得到了一致的结果：在190天数据中，观测到了17.9±5.1个反中微子事件，而预期的本底事件为9.7±1.6个。

这个结果与来自加拿大安大略省核反应堆的反中微子通量的预测相符合，达到了3.5个标准差的显著性水平。

这是第一次在水切伦科夫探测器中探测到反中微子信号，也是第一次使用低于2.6 MeV的能量范围来探测反中微子。这个能量范围比以往的液闪或者气体探测器都要低，展示了水切伦科夫探测器的优势和潜力。

SNO+实验的这项成果为反中微子物理学开辟了一个新的领域，也为未来的水切伦科夫探测器提供了一个新的应用方向。

利用纯水探测反中微子，可以避免使用有机物质带来的一些问题，比如化学污染、火灾风险、本底放射性等。

而且，水切伦科夫探测器可以扩大到更大的体积，从而增加探测效率和灵敏度。

此外，水切伦科夫探测器还可以同时探测其他类型的中微子，比如太阳中微子、大气中微子、超新星中微子等，从而实现多目标和多信道的物理研究。

当然，水切伦科夫探测器也有一些挑战和局限性，比如需要更高的纯度和更低的本底、难以重建事件的方向和顶点、受到地球磁场和地震等因素的影响等。

因此，SNO+合作组正在继续改进实验设备和分析方法，以期提高反中微子探测的精度和稳定性。

未来，SNO+还计划使用其他介质，比如闪烁液体或者碲化物溶液，来进行更深入的反中微子物理学和双β衰变物理学的研究。





审核编辑：刘清