中微子探测进展

张广文　袁海娣　黄坤　程小燕

摘要：中微子由于其极难与普通物质发生相互作用的特性，以及异常苛刻的探测要求，使得关于它的研究受到了学者持久的关注。本文整理了关于中微子探测的近期的相关研究动态，并在这些进展的基础上进行应用上的探讨。

关键词：中微子;探测;应用

中图分类号：O572.21      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）12-0233-03

Abstract：Cause the hardly interact with normal matter and the very difficult way to detect， neutrino continued focused by the researcher. This paper collected the research news of neutrino detection， and discuss its application.

Key words： Neutrino;Detection;Application

由于中微子极难与物质发生相互作用的特性，使它能够很轻易地将原始反应点的相关信息不受任何阻拦地携带出来，因而可以作为信息的绝佳载体，从而满足人们的研究需要，具有十分重要的应用。但也由于其几乎不与任何物质发生反应的特性，导致探测中微子非常困难，通常中微子探测装置都非常庞大，且建造成本昂贵，从而也限制了中微子的实际应用。目前关于中微子的应用前景有一些相关的研究，主要是对目前中微子可能应用领域的一些介绍[1-2]。比如中微子雷达、中微子通信和中微子武器等。

本文综合讨论了近期国内外在中微子探测技术和中微子探测实验上的新进展。

1中微子实验概述

中微子是泡利在1930年为解决贝塔衰变而提出的假想粒子[3]。自提出以来，人们围绕中微子，在理论和实验上都取得了巨大的成果。1933年，费米建立了弱相互作用的费米理论[4-5]。1956年反应堆中微子实验第一次探测到核反应堆产生的反中微子[6-7]。1968年第一个太阳中微子实验Homestake实验[8]，发现了太阳中微子缺失问题，到1998年日本的超级神冈中微子探测实验通过对大气中微子的探测[9]证实了中微子存在中微子振荡现象，然后在2001年的SNO实验[10]通过探测太阳中微子三种不同味的总流量的方式，完美解决了太阳中微子缺失问题，并进一步证实了中微子存在振荡。

随着这些中微子实验的成功，新的中微子实验项目也在不断增加。意大利的Borexino实验、韩国的RENO实验、从超级神冈升级改造后的日本的高级神冈、南极的冰立方、我国的大亚湾实验和江门中微子实验，这些不同的中微子实验有着不同的实验目的。Borexino实验是太阳中微子实验，能够对太阳中微子流量进行探测，从而能检验标准太阳模型、分析太阳金属丰度及探索太阳核能来源。南极的冰立方是中微子望远镜，主要用来探测来自宇宙深处、数量极其稀少的高能中微子，从而达到追溯高能中微子来源、发现新的天文现象和分析不同的天文事件的目的。

我国2011年建成的大亚湾反应堆中微子实验是短基线中微子实验，主要探测的是中微子的第三种振荡模式，并在2012年成功的给出了第三种振荡模式存在的确切证据，精确测量了振荡对应的混合角。我国新一代江门中微子实验于2015年开始动工，主要以测定中微子的质量顺序，精确测量中微子混合的相关参数为目的，并辅以地球中微子、大气中微子、太阳中微子及超新星中微子等多种探测目的。

2中微子探测方式

由于中微子不带电，只参与弱相互作用，无法与其他物质发生电磁相互作用，因而要探测到中微子就需要使用一些不同寻常的探测方法。目前一共有三种探测中微子的方法，常见的探测方法有两种，分别是反贝塔衰变和液体闪烁体。还有一种比较困难的探测方法，相干弹性散射。如下是对这三种探测方法的介绍。

2.1反贝塔衰变

在猜测可能存在中微子这种粒子后不久，人们就意识到中微子的反应截面会非常微小，而且关于中微子的最有可能的反应是反贝塔衰变（IBD），这个反应的靶核是质子。由于实验探测到的事件能量，可以通过相关的公式转化成相应的中微子的能量，因此反贝塔衰变可以很好的确定探测到的中微子的能量，但是很难确定探测到的中微子是从什么方向上产生的。

2.2液体闪烁体

液体闪烁体探测实验是通过中微子与探测物质中的电子发生弹性散射进行探测中微子的。这种探测实验的好处是可以探测所有味的中微子，且发生弹性散射的电子的方向相较于反贝塔衰变更容易被确定，这样就可以确定探测到的中微子是从什么方向上发出的。这对于探测一些未知的核反应的方位，有着较实际的利用价值。但这种探测方法需要使用十分巨大的探测材料，材料的量级都是万吨以上，且需要深埋地下，以降低各种背景辐射对中微子探测的干扰。

比如图1所示的日本超级神冈探测器就有40米高、容纳了5万吨的水，这种庞大的探测器很难有实用价值。

2.3相干弹性散射

中微子与核子相干弹性散射（CEvNS）反应是中微子与核子之间的相互作用，这种反应的一个优势是，反应截面的大小是由靶粒子原子核内的所有核子一起贡献的，因而对于一些较重的原子核，相应的反应截面将比反贝塔衰变反应的反应截面高两个数量级，从而大大提高了探测的可能性。另一个优势是相干弹性散射不像反贝塔衰变那样有反应阈值，因此理论上这个反应能够探测到低于反贝塔衰变阈值1.8MeV能量下的中微子。对于探测相干弹性散射而言，最主要的困难是要探测到极低的原子核反冲能量，以及尽可能低的背景干扰。由于这些严格的要求，使得要探测到这种反应，需要极其苛刻的实验条件，因此CEvNS自1974年[11]提出以来，一直到2017年才在COHERENT實验中被探测到[12]。从下图中的实验探测仪器可以看出，与日本超级神冈探测器相比，该实验装置只有14.6千克，因而有可能实现中微子探测器的便携化和小型化。

不过实验探测的是比反应堆中微子平均能量高十倍的散裂中子源产生的中微子。目前已有一些正在建设中的实验，在尝试探测反应堆中微子的CEvNS反应[13-18]。

3 中微子探测的进展

近期，中微子探测在太阳中微子、宇宙高能中微子和中微子探测器小型化上均有很大的进展，下面从这三个方面加以介绍。

3.1探测技术进展

为了让中微子探测更加方便实用，人们通过研究一些新型探测材料和新的探测器构造，使得中微子探测器的规模能够降低到千克级别。且新的研究使人们能够将反应堆的中微子和背景辐射的中微子在探测器中产生的信号进行很好的区分，从而不需要将探测器深埋地下来降低背景干扰信号。

2020年3月，研究人员基于一种固体塑料闪烁体，制作了一款80公斤重的小型中微子探测器（MiniCHANDLER）[19]，该探测器以反贝塔衰变的反应形式对中微子进行探测，实验人员将探测物质分割成小方块的形式（如图3）。这样，研究人员可以很容易地将反应堆中微子与探测物质发生反应的事件（图3右）与一些由宇宙射线产生的快中子造成的背景事件（图3左）进行区分。在图3右侧图形中，一个绿色的反电子中微子与探测物质中的质子发生反贝塔衰变反应，产生一个红色的正电子和一个蓝色的中子，其中正电子立刻与电子发生湮灭反应，产生两个光子，几微秒之后被锂核捕获。而图3左侧图形中，一个快中子通过一些散射释放光子，最终也被锂核吸收。因此不同的反应过程就暗示了不同的事件来源，从而排除背景干扰。

图4是正在安装中的MiniCHANDLER，可见虽然不如相干弹性散射的实验装置小巧，但比日本超级神冈探测器要迷你和便携很多了。由于该探测器的反应过程为反贝塔衰变，因此可以用来探测反应堆中微子。

3.2太阳中微子实验

对于太阳内核信息的相关研究，就需要利用中微子这种极难与物质发生反应的特性，从而能够将太阳内核的一些信息毫无干扰地带到地球上，使得研究人员通过分析实验探测到的中微子的性质，来获得太阳内核各种反应过程的详细信息。

2020年11月Borexino实验在《自然》杂志上公布了他们直接探测到太阳的碳氮氧（CNO）反应链产生的中微子的实验数据[20]，这是太阳中存在碳氮氧反应链的第一个实验证据。此前，Borexino实验已经探测到为太阳供能的另外一个反应链，pp链产生的相关中微子，此次CNO太阳中微子的实验结果，证实了人们关于太阳能量来源的两种主要产生机制的理论预测。此外，CNO太阳中微子的探测还可以揭示日核结构中的金属元素的含量，从而对太阳早期阶段的信息进行一些研究。

3.3南极冰立方

研究人员通常是通过对一些到达地球上的高能粒子的探测来研究遥远宇宙天体的相关信息，这些探测所依赖的相互作用通常为电磁相互作用，比如光子和质子，但这些参与电磁相互作用的粒子，在到达地球的过程中，很容易与传播路径上遇到的磁场和宇宙微波背景辐射等发生反应，等我们在地球上探测到这些粒子时，它们携带的原始信息就会丢失，从而导致我们无法分析这些粒子是由怎样的天文现象产生，以及对这些天文现象做详细的理论研究。这就限制了对更遥远宇宙观察的能力。引力波的成功探测使得人们探索遥远星际的极端天体事件成为可能，但探测引力波需要极其精密的仪器，实现起来也非常的困难。

宇宙高能中微子同样也产生于极端的天文现象，且由于它不像质子或光子那样会受到电磁相互作用的影响，可以携带完整原始信息毫无阻碍地穿行于宇宙空间中，因此人们能够通过探测这种中微子来了解更遥远宇宙的天文事件。南极冰立方（IceCube）就是基于人们对宇宙深处的探測需要而建立的。

2021年3月10日，南极冰立方在《自然》杂志上正式公布了他们探测到的格拉肖共振事件[21]，证实了诺奖得主谢尔登格拉肖在60年前的理论预测。格拉肖共振是贝塔衰变的逆过程，是由反电子中微子与电子发生相互作用产生的，当撞击电子的反电子中微子的能量刚好达到足以产生W波色子时，就会出现格拉肖共振。因此人们首次通过这种事件来区分天体物理学的中微子流中的中微子和反中微子，从而开启了中微子天文观测的新阶段。

4 总结与展望

本文通过对中微子近期实验进展的介绍，展示了中微子在天体物理学中的巨大的应用前景。而新型探测材料和探测技术的更新，使得中微子探测器朝着小型化和便携化的方向不断发展，从而距离实现中微子物理的实际应用越来越近。

新型探测材料的出现，使得能够采用更好的技术来区分中微子事件和背景干扰事件，对中微子的探测将不必再深埋地下，无须再依赖天然的地壳来屏蔽背景干扰，从而可以在地面上对中微子进行探测。这种新材料和技术的出现，使得人们可以更方便地对一些核反应堆、核电站以及核废料等对人类有隐藏危害的物质进行先期预防及监控，为核安全及和平利用核能做出实用性贡献。

对宇宙高能中微子的成功探测，是对人们使用电磁信号观测遥远宇宙天体的一种补充，未来通过中微子望远镜和引力波探测器与其他望远镜的互补配合，人们将会对宇宙有更加深入的了解。

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【通聯编辑：唐一东】