摘要

反中微子是中微子的反粒子，它們在核反應堆中產生，可以用來研究核物理和粒子物理的一些重要問題。然而，反中微子很難探測，因為它們與普通物質的相互作用非常微弱。目前，大多數反中微子探測器都使用液體閃爍體或者氣體比例計數管等敏感介質來捕獲反中微子與質子的逆β衰變過程：

這個過程會產生一個正電子和一個中子，它們分別發出切倫科夫光和伽馬射線，形成一個時間和空間上相關的信號。然而，這種方法也有一些缺點，比如需要大量的有機物質、易受到本底放射性的干擾、難以擴大探測體積等。

SNO+實驗是一個位于加拿大安大略省的水切倫科夫探測器，它原本是用來研究太陽中微子和雙β衰變的。

但是，在2018年，SNO+合作組利用純水階段的數據，首次在水切倫科夫探測器中發現了來自遠距離（至少240公里）核反應堆的反中微子信號。這是一個令人興奮的突破，因為它表明了純水也可以作為一種有效的反中微子探測介質，而且可以覆蓋更大的探測范圍。

方法

SNO+實驗使用了一個直徑為12米、裝滿超純水的球形罐作為主探測器，罐壁上布滿了9500個光電倍增管（PMT），用來收集切倫科夫光。

為了降低本底放射性，罐內外都有一層水作為屏蔽層，并且罐體被埋在地下2公里深處。

此外，SNO+還使用了一些外部探測器，比如液閃狀況器、中子標定源、氦三比例計數管等，用來監測和標定實驗條件。

SNO+合作組分析了2018年4月至10月期間的190天數據，總共有約2.3×102?個質子參與探測。

他們使用了兩種不同的方法來篩選和識別反中微子事件：一種是基于能量和時間窗口的切割法，另一種是基于多變量分析的提升決策樹法。兩種方法都利用了正電子和中子信號之間的時間差、空間距離、能量大小等特征來區分反中微子事件和本底事件。

結果

兩種方法得到了一致的結果：在190天數據中，觀測到了17.9±5.1個反中微子事件，而預期的本底事件為9.7±1.6個。

這個結果與來自加拿大安大略省核反應堆的反中微子通量的預測相符合，達到了3.5個標準差的顯著性水平。

這是第一次在水切倫科夫探測器中探測到反中微子信號，也是第一次使用低于2.6 MeV的能量范圍來探測反中微子。這個能量范圍比以往的液閃或者氣體探測器都要低，展示了水切倫科夫探測器的優勢和潛力。

SNO+實驗的這項成果為反中微子物理學開辟了一個新的領域，也為未來的水切倫科夫探測器提供了一個新的應用方向。

利用純水探測反中微子，可以避免使用有機物質帶來的一些問題，比如化學污染、火災風險、本底放射性等。

而且，水切倫科夫探測器可以擴大到更大的體積，從而增加探測效率和靈敏度。

此外，水切倫科夫探測器還可以同時探測其他類型的中微子，比如太陽中微子、大氣中微子、超新星中微子等，從而實現多目標和多信道的物理研究。

當然，水切倫科夫探測器也有一些挑戰和局限性，比如需要更高的純度和更低的本底、難以重建事件的方向和頂點、受到地球磁場和地震等因素的影響等。

因此，SNO+合作組正在繼續改進實驗設備和分析方法，以期提高反中微子探測的精度和穩定性。

未來，SNO+還計劃使用其他介質，比如閃爍液體或者碲化物溶液，來進行更深入的反中微子物理學和雙β衰變物理學的研究。





審核編輯：劉清