展望反应堆产生的中微子的新视角

虽然中微子是宇宙中最常见的粒子之一，但它们难以捉摸的性质使得理解它们的行为具有挑战性。

 

在精密反应堆振荡和光谱（PROSPECT）实验的新研究中，科学家，包括PROSPECT的首席研究员兼联合发言人Karsten Heeger，Eugene Higgins物理学教授，Wright实验室主任和耶鲁大学物理系主任;以及耶鲁大学Wright实验室的其他成员，已经从核发射的中微子测量中得出了最终结果橡树岭国家实验室的反应堆。他们的工作最近发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被强调为编辑建议，为科学家在预测和测量核反应堆发射的中微子之间遇到的令人费解和持续的差异提供了新的见解。

 

中微子几乎是失重的，没有电荷，有三种类型，或“味道”。核反应堆大量产生的“电子味”中微子是其同名的较轻的表亲，但由于它缺乏电荷，它不会像电子那样粘附在原子上或从原子上反弹。相反，它毫不费力地穿过物质，几乎没有留下任何存在痕迹。尽管它们的相互作用很微弱，但中微子在小到放射性衰变和大到宇宙中物质聚集的过程中发挥着至关重要的作用。

 

虽然粒子物理学家认为核反应堆是超亮的中微子工厂，但大多数人都知道它们产生的无碳电力。当燃料中的铀和钚原子一分为二时，反应堆堆芯内部会产生热量。由此产生的碎片由数十种不同重量的元素组成，是不稳定的，并在衰变时释放中微子。与反应堆中产生的热量很容易被捕获以产生驱动我们的灯、火炉和电动汽车的电力的方式相反，数十亿个幽灵般的中微子使每一秒都很容易逃脱。

 

2018年，在田纳西州橡树岭的高通量同位素反应堆（HFIR）中，PROSPECT探测到这些中微子的一小部分（每天约一千个），PROSPECT是一个专门的吨级粒子探测器，距离HFIR中心仅8米，距离核心周围的水池只有一堵混凝土墙。每隔一段时间，探测器四吨重的液体中心中的单个氢原子核就会被相互作用的中微子转化为中子，从而产生独特的闪光对，这些闪光被周围的传感器捕获。

 

“为了获得HFIR的中微子物理潜力，PROSPECT建造了一个探测器，它利用中微子信号的独特特征来寻找’大海捞针’并克服具有挑战性的背景环境，”PROSPECT联合发言人兼劳伦斯利弗莫尔国家实验室罕见事件检测小组负责人Nathaniel Bowden说。这是第一次能够在地球表面使用反应堆反中微子进行物理实验，而无需在地下。

 

在他们的新结果中，PROSPECT使用他们整个2018年的中微子数据集，仔细清理了背景，绘制了HFIR核心中不稳定的核碎片发射的中微子能量，HFIR核心只燃烧高浓缩铀燃料。然后，他们将他们的地图与由大型核数据库形成的模型进行了比较，该模型包含数十年来对这些稀有元素特性的测量，其中许多元素仅存在于地球上燃烧的核燃料中。

 

这种比较揭示了以前的中微子努力也看到了一个显着的差异：高能反应堆中微子比这些模型预测的更常见。通过注意到在燃烧铀和钚混合物的商业反应堆堆芯中进行的中微子实验也看到了类似的差异，PROSPECT的合作者能够证明这两种燃料成分的碎片模型可能是错误的。

 

鲍登说，这一结论与核物理学家和反应堆专家有关，他们依靠这些相同的核数据库来建模和验证核反应堆行为的其他方面。虽然陪审团仍未确定这种异常现象的真正根本原因，但人们普遍认为，中微子物理学家、核理论家和实验者都需要进一步研究。

 

PROSPECT探测器由来自包括耶鲁大学在内的12所大学和4个美国国家实验室的数十名科学家设计、建造和操作。最终组装于2017年在莱特实验室进行。

 

Heeger说：“PROSPECT是一个独特的机会，可以在莱特实验室全面设计和组装中微子探测器，并让学生和博士后有机会参与实验设计、建造和数据采集的各个方面。

 

目前参与合作的耶鲁大学研究人员包括Heeger;Pranava Teja Surukuchi，博士后助理;詹姆斯·尼克尔（James Nikkel），研究科学家;和研究生Arina Telles。耶鲁展望团队的前成员包括：赖特实验室运营副主任杰夫·阿申费尔特（Jeff Ashenfelter）;前博士后助理托马斯·兰福德（Thomas Langford）;前研究生 Ben Foust、Jeremy Gaison、Danielle Norcini;以及前本科生 Lukas Baker、India Bhalla-Ladd、Jack Roth 和 Nate Stemen。

 

PROSPECT部分由Heising-Simons基金会资助，部分由能源部计划资助，该计划致力于启动小型中微子物理学工作，以便在即将到来的大规模国际中微子项目的同时保持充满活力的实验组合。

 

“PROSPECT探测器是在大约一年的时间里建造的，主要有学生参与，”美国国家标准与技术研究院的PROSPECT联合发言人Pieter Mumm指出。“它很好地展示了小型、灵活的实验如何快速响应新出现的科学问题，同时为年轻科学家提供发挥核心作用的独特机会。

 

PROSPECT已经利用其反应堆中微子数据作为十几个基础

技术和物理出版物，包括对暗物质甚至更幽灵类型的中微子（称为无菌中微子）的新搜索。

 

PROSPECT正在努力执行其实验的第二阶段，该实验将部署一个更具移动性的探测器，该探测器可以部署在多个反应堆上。这样的探测器将允许通过一个共同的透镜在高浓缩反应堆堆芯和商业堆芯上观察到这种中微子能量异常。鲍登说，配对的测量集将大大提高PROSPECT的精度，为核数据专家和理论家提供更好的放大镜。