“中微子-原子核相干弹性散射理论”被证实

周华

        中微子以极不情愿与其他物质相互作用而著称。虽然有可能建造探测它们的探测器，但这些探测器往往需要建造的非常巨大，才能提供足够的物质产生与中微子之间的相互作用。这些相互作用还经常以能量事件的形式改变粒子属性，例如将质子转变成中子。

图1 橡树岭国家实验室质子源

        由于中微子的质量很小，同时几乎拒绝任何相互作用的特性，让它与另一个粒子相碰撞以便探测它的想法初看起来显得十分的可笑。不过，来自美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)的科学家证实了这一方法的可行性，他们已经观测到了短暂的闪光，这些光产生自原子被中微子轻轻推动的过程。在这个过程中，中微子将它微小动量的一个微小部分传递给了原子核。

图2 “中微子-原子核弹性相干模型”示意图

        橡树岭国家实验室拥有一个散裂中子源(Spallation Neutron Source)。散裂中子源将质子束加速后用于撞击水银箱内的水银（汞）。撞击产生的“碎片”中包含大量的中子，这些中子可以用于很多科学实验。除了产生中子，撞击还能产生中微子，通常这些中微子都在粒子散射过程中跑掉了。

图3 实验装置示意图

        在准备利用这些中微子进行实验时，研究人员就在建筑物中用探测器寻找一个接收中子比较少的区域。最后他们找到这样一个区域，这个区域与水银箱之间被大量的混凝土和砾石阻隔开来——这个区域就是实验室地下室的一条走廊，不过现在被称为“中微子小巷“。现在这个地下走廊中安装了一个很大的水箱，用来过滤中子、宇宙射线和其它粒子，以便扑捉中微子。

        此前我们发现的中微子相互作用都涉及到中微子撞击靶材然后触发某种粒子转变。这次我们期待看到的是中微子撞击原子核，给其一个轻微的推力。更专业的说法是，我们希望看到中微子通过与原子核的某个夸克交换一个Z玻色子(负责传递弱核力的基本粒子)来将它的一些动量传递给原子核，随后原子核将以发射一个光子的方式来释放掉这部分能量。这种相互作用机制在43年前就被提出，但一直没有在实验中被探测到。

        由于具备了下述条件，使得这类中微子相互作用的发生成为可能：第一，需要能量水平较低的中微子——橡树岭实验室的设备恰好可以提供。第二，需要一个较大的原子核以供中微子撞击。针对上述两个条件，研究团队决定采用了碘化铯作为探测物质，原因是碘和铯这两种元素的原子量比较接近，因此碰撞后它们发射的光子能量也差不多，这样可以保证使用一个探测器就能捕获所有的与中微子的相互作用。于是他们将14.6千克的碘化铯放置在地下走廊位于水银箱正下方的位置上，然后将光电探测器安装在碘化铯周围捕获与中微子相互作用发射出的光子。用这种方式，研究团队用一年多的时间采集了数据。

图4 轰击前后实验数据对比

        中子源让研究人员可以方便地控制实验：质子束以间歇的方式轰击汞原子，研究人员可以在质子轰击间隙采集没有中微子相互作用的数据，在轰击刚刚结束后采集有中微子相互作用的数据。通过比较两组数据，研究者可以看到数据间的差异。在质子束轰击汞原子后，实验数据会发生变化，一个月里大概有9次，而且都发生在质子束轰击之后。这样的情况与粒子标准模型的预测是一致的。与没有中微子相互作用的情况相比，这类变化达到将近7个标准差（论文原文说是6.9个标准差）。所以，在“中微子-原子核弹性相干模型”提出的43年后，终于有实验证明中微子可以与原子发生撞击。

图5 便携式碘化铯探测器

        这项工作已经发表在2017年8月3日的《科学（Science）》上。不过，论文作者们似乎对他们正在做的后续工作更加兴奋。他们在地下走廊中安置了更多的探测器来跟踪地下室的中微子，并且升级了质子源设备。此外，他们还觉得可以利用他们在碘化铯探测器方面的专业知识，制造一种小型的便携式中微子探测器——这样就可以摆脱建造巨型探测器的束缚，为那些先前无法做的实验创造机会。

参考：
http://www.sohu.com/a/162436097_354973
https://arstechnica.com/science/ ... finally-observed/43
http://science.sciencemag.org/co ... /02/science.aao0990