美国实验发现新的中微子反应

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假如用它来探测核反应堆产生的中微子，反应几率可比现在常用的方法提高50倍。

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2017年8月3日，美国COHERENT实验首次探测到中微子的相干散射过程。论文发表在《Science》杂志上。这是一种寻找了43年的反应过程，量子力学清楚地预言了它的存在，但探测非常困难。

假如用它来探测核反应堆产生的中微子，反应几率可比现在常用的方法提高50倍。它的发现有望使中微子探测器小型化，可能会成为中微子研究的新热点。

中微子最大的特点之一就是几乎不与物质反应，因此它能轻松穿过整个地球或太阳，成为刺探星体内部的探针。与这个特长相伴的就是它极难探测，正在设计或建设中的下一代主流中微子实验都需要几万吨探测材料，比如美国DUNE实验采用1到4万吨液氩，日本超超级神冈采用50万吨纯水，印度INO采用5万吨铁，中国江门实验采用2万吨液体闪烁体，等等。这样巨大的探测器才有可能在万亿个经过的中微子中抓到一两个。

如果能够提高中微子与物质反应几率，当然是中微子科学家梦寐以求的事。中微子与物质有多种反应方式，实验上探测哪种反应由科学目标决定。以较简单的反应堆中微子为例：

• 一种是在氢核（即质子）上俘获，生成一个正电子和一个中子，称为反贝塔衰变反应（IBD），这是最常用的探测方式；

• 一种是在电子上散射，它的反应几率比IBD小几倍，而且很难跟本底分开，只有少数几个实验采用，测量中微子磁矩；

• 还有一种是在原子核内的核子上散射，它不仅反应几率小，而且由于原子核很重，就像一个乒乓球（中微子）撞上铅球（原子核）一样，铅球几乎得不到能量，因此极难探测，没有人用。

中微子与原子核散射，低能时同时看到原子核内的所有核子

不过对低能中微子，它有可能发生一种相干散射过程，它跟上述第3种相似，但中微子一次不是跟一个核子，而是跟原子核内的所有的核子发生散射。根据量子力学，反应的振幅等于所有核子相加，因此正比于核子数，而反应的几率是振幅的平方，正比于核子个数的平方（严格地说，中子的贡献为主）。

比如COHERENT实验这次用的碘化铯晶体，碘和铯都比较重，分别包含127和133个核子，这样反应几率就是在单个核子上散射几率的1万倍。考虑到在核子上发生反应的几率原本比较小，优劣相抵后反应几率仍然比IBD和在电子上散射高百倍。

相干散射（蓝线）比IBD（红线）和中微子-电子散射（红虚线）反应截面高上百倍

发生相干散射的关键是能量转移很小，这样波长足够长，覆盖了整个原子核，原子核内的所有核子都与这一个中微子相互作用，产生叠加。因此它不能探测高能中微子，中微子的能量不能大于几十MeV。

探测相干散射的关键则是极低本底和极低的能量探测能力（阈值），基本上就是一个暗物质探测器的要求，因此很困难。这也是为什么至今才探测到它的原因。同时，原子核越大，反应几率越高，但同时核反冲的能量也越低，越难探测。

对反应堆中微子，用重核如碘、铯、氙、氩等探测相干散射需要能探测1 keV的能量，比IBD反应的能量小了1000倍。因此，COHERENT实验没有采用反应堆中微子（因为它更困难），而是能量相对较高的散裂中子源产生的中微子。

似于暗物质探测器的液氙探测器，探测到的中微子数是常用的IBD探测方式的50倍。不过这只是对单纯计数实验而言，对需要精确测量能谱的实验，相干散射就无能为力。

COHERENT实验包括几种不同的探测器，现在只有技术难度最小的碘化铯晶体探测器取得了成功。由于技术难度，用它研究中微子暂时还没有优势，随着技术成熟，也许会在中微子物理研究或应用上取得成效，比如研究中微子磁矩、非标准相互作用、研究核结构、以及监测核反应堆等。

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