美國實驗發現新的中微子反應

■曹俊/文

假如用它來探測核反應堆產生的中微子，反應幾率可比現在常用的方法提高50倍。

2017年8月3日，美國COHERENT實驗首次探測到中微子的相干散射過程。論文發表在《Science》雜誌上。這是一種尋找了43年的反應過程，量子力學清楚地預言了它的存在，但探測非常困難。假如用它來探測核反應堆產生的中微子，反應幾率可比現在常用的方法提高50倍。它的發現有望使中微子探測器小型化，可能會成為中微子研究的新熱點。

中微子最大的特點之一就是幾乎不與物質反應，因此它能輕鬆穿過整個地球或太陽，成為刺探星體內部的探針。與這個特長相伴的就是它極難探測，正在設計或建設中的下一代主流中微子實驗都需要幾萬噸探測材料，比如美國DUNE實驗採用1到4萬噸液氬，日本超超級神岡採用50萬噸純水，印度INO採用5萬噸鐵，江門實驗採用2萬噸液體閃爍體，等等。這樣巨大的探測器才有可能在萬億個經過的中微子中抓到一兩個。

如果能夠提高中微子與物質反應幾率，當然是中微子科學家夢寐以求的事。中微子與物質有多種反應方式，實驗上探測哪種反應由科學目標決定。以較簡單的反應堆中微子為例：

• 一種是在氫核（即質子）上俘獲，生成一個正電子和一個中子，稱為反貝塔衰變反應（IBD），這是最常用的探測方式；

• 一種是在電子上散射，它的反應幾率比IBD小几倍，而且很難跟本底分開，只有少數幾個實驗採用，測量中微子磁矩；

• 還有一種是在原子核內的核子上散射，它不僅反應幾率小，而且由於原子核很重，就像一個乒乓球（中微子）撞上鉛球（原子核）一樣，鉛球幾乎得不到能量，因此極難探測，沒有人用。

中微子與原子核散射，低能時同時看到原子核內的所有核子

不過對低能中微子，它有可能發生一種相干散射過程，它跟上述第3種相似，但中微子一次不是跟一個核子，而是跟原子核內的所有的核子發生散射。根據量子力學，反應的振幅等於所有核子相加，因此正比於核子數，而反應的幾率是振幅的平方，正比於核子個數的平方（嚴格地說，中子的貢獻為主）。比如COHERENT實驗這次用的碘化銫晶體，碘和銫都比較重，分別包含127和133個核子，這樣反應幾率就是在單個核子上散射幾率的1萬倍。考慮到在核子上發生反應的幾率原本比較小，優劣相抵后反應幾率仍然比IBD和在電子上散射高百倍。

相干散射（藍線）比IBD（紅線）和中微子-電子散射（紅虛線）反應截面高上百倍

發生相干散射的關鍵是能量轉移很小，這樣波長足夠長，覆蓋了整個原子核，原子核內的所有核子都與這一個中微子相互作用，產生疊加。因此它不能探測高能中微子，中微子的能量不能大於幾十MeV。

探測相干散射的關鍵則是極低本底和極低的能量探測能力（閾值），基本上就是一個暗物質探測器的要求，因此很困難。這也是為什麼至今才探測到它的原因。同時，原子核越大，反應幾率越高，但同時核反衝的能量也越低，越難探測。對反應堆中微子，用重核如碘、銫、氙、氬等探測相干散射需要能探測1 keV的能量，比IBD反應的能量小了1000倍。因此，COHERENT實驗沒有採用反應堆中微子（因為它更困難），而是能量相對較高的散裂中子源產生的中微子。

如果要探測核反應堆產生的中微子，最好採用類似於暗物質探測器的液氙探測器，探測到的中微子數是常用的IBD探測方式的50倍。不過這只是對單純計數實驗而言，對需要精確測量能譜的實驗，相干散射就無能為力。

COHERENT實驗包括幾種不同的探測器，現在只有技術難度最小的碘化銫晶體探測器取得了成功。由於技術難度，用它研究中微子暫時還沒有優勢，隨著技術成熟，也許會在中微子物理研究或應用上取得成效，比如研究中微子磁矩、非標準相互作用、研究核結構、以及監測核反應堆等。

碘化銫晶體探測器（圖片來源：COHERENT合作組）