开始对灵敏的中微子探测器进行不扩散和物理测试

banks of shiny yellow glass globes covering photomultiplier tubes

中微子和反中微子是许多核反应中产生的几乎无质量的粒子，包括地球上核电站中铀的裂变和太阳核心的聚变反应。

但它们非常难以探测——大多数都不停地穿过地球——这使得研究恒星核心或恒星爆炸中发生的核反应或监测核电站非法生产炸弹材料变得困难。

一种新型的中微子探测器目前正在加州大学伯克利分校的一个大型地下实验室进行测试，旨在利用最新技术来提高反中微子探测器的灵敏度和能力。这种改进的探测器不仅有助于检测、定位和表征违反联邦或国际法规使用的未申报的特殊核材料，还有助于科学家探索粒子的基本物理学及其在原子核深处的相互作用。

加州大学伯克利分校物理学副教授、Eos合作负责人加布里埃尔·奥雷比·江恩（Gabriel Orebi Gann）表示，该装置被称为Eos，意为泰坦的黎明女神，标志着“中微子探测技术新时代的曙光”。

原型探测器由美国国家核安全局资助，该局资助能源部（DOE）实验室的研发，以进一步提高国家探测、预防、应对和应对核安全威胁的能力——在这项研究中，远程探测和表征核活动和材料，即距离大于约100米。虽然核材料的放射性可以被屏蔽而不被探测，但裂变反应中产生的反中微子却不能。由于反应堆中每纳秒产生数十亿个反中微子，因此Eos应该能够探测到足够的反中微子，以识别炸弹级材料的秘密生产。

“中微子探测的想法是你不能欺骗它，你不能屏蔽它，你不能伪造它。中微子几乎以光速传播，因此即使在远处，它们也能提供近乎瞬时的探测。它们提供了核活动的独特特征，“劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的科学家Orebi Gann说。“如果你离得很远，或者你有一个非常弱的特征，那么你需要一个大探测器。对于一个大型探测器，你需要液体。

two people inspecting a large cylindrical tank suspended over another tank — 1月26日，加布里埃尔·奥雷比·江恩（Gabriel Orebi Gann）和伯克利实验室工程师乔·萨巴（Joe Saba）检查了Eos探测器 – 围绕一个丙烯酸罐的242个光电倍增管管 – 当它被放入一个钢罐中时。在测试过程中，水箱将装满水，最终是一个闪烁体，当中微子或反中微子通过时，闪烁体将产生光脉冲。光电倍增管检测光并帮助确定粒子的能量和它们到达的方向。

Eos是一个10米高，5米宽的圆柱体，里面装满了水和一个有机闪烁体，周围环绕着比今天物理实验中使用的光探测器灵敏三倍的光探测器。Eos的灵敏度和分辨率的提高来自于结合了当今两种最好的中微子探测技术：闪烁和切伦科夫发射。

这些改进可能会改变未来中微子物理项目的游戏规则，例如目前正在南达科他州铅市一个废弃金矿建造的深地下中微子实验（DUNE），以检测500英里外的伊利诺伊州费米国家实验室的粒子加速器发射的中微子。加州大学伯克利分校和伯克利实验室是DUNE合作的成员。

“我们最终想要建造的是一个更大的探测器，叫做Theia，”她说。“忒伊亚是泰坦的光明女神，也是众神万神殿中厄俄斯的母亲。忒伊亚的理想地点是在南达科他州的那个矿井里，看到那些来自费米实验室的中微子。

忒伊亚（Theia）将使用一个足以几乎吞噬自由女神像的储罐，是否会取代DUNE计划中的四个液氩“远”探测器之一，还有待观察。Orebi Gann认为，像Theia这样的混合探测器，虽然为研究DUNE的主要目标的中微子的高能束提供了相当的灵敏度，但将增加氩探测器以外的新功能，包括检测反中微子的能力。忒伊亚还将通过中微子爆发对超新星的位置具有2度的指向精度，并有能力搜索低能太阳中微子和马约拉纳中微子。

混合中微子探测器

Eos的独特之处在于它是两种主要类型的液体中微子探测器的混合体，这两种探测器都从一罐液体开始。

overhead lights relfected many times in the amber covers of an array of photomultiplier tubes — 该探测器采用多种类型的光电倍增管。有些，如左前方的那个，被排列成圆锥形的二向色滤光片包围——“二向色镜”——将一些波长的光反射到锥体孔径的光电倍增管中，但允许其他波长通过下方和后面的光合管。这有助于区分切伦科夫光和闪烁体光。

一种技术是基于闪烁体 – 在这种情况下，线性烷基苯 – 它响应与中微子或反中微子相互作用期间产生的带电粒子而发光。

中微子和反中微子还可以与其他材料（如水）相互作用以产生电子，然后电子会发出自己的光，尽管比闪烁光暗得多。后者被称为切伦科夫辐射，当电子以超过液体中的光速的速度穿过液体时就会发射出来，类似于飞机以超过音速的速度飞行产生的音爆的声能。

在这两种技术中，称为光电倍增管的灵敏光探测器排列在水箱周围，以记录微弱光的强度。闪烁的强度提供了有关中微子或反中微子能量的信息。然而，切伦科夫辐射是在锥体中发射的，因此它可以提供有关中微子来自的方向的信息，这是研究核反应堆源和宇宙中微子源的关键信息。

“光电倍增管对单光子水平的光很敏感，”Orebi Gann说。“但是液体闪烁体给你的光要多得多：如果你有一个相同能量的电子，你会得到比切伦科夫发射多50倍的光，这取决于闪烁体。这意味着您可以获得更高的精度来了解能量的沉积位置以及能量的多少。

延时视频显示，加州大学伯克利分校物理学家加布里埃尔·奥雷比·江恩（Gabriel Orebi Gann）及其同事在组装Eos探测器时，将一个被光电倍增管包围的亚克力罐提升到钢罐中。水箱最终将装满水和一个闪烁体，以检测通过的粒子，主要关注中微子和反中微子的相互作用。

“我们说，好吧，我们不想挑三拣四。我们不喜欢妥协。我们两者都想要。这就是我们的目标。我们想要切伦科夫光的拓扑结构，但要是闪烁的分辨率，“她说。

问题在于，闪烁产生的光太亮了，以至于压倒了切伦科夫光。

幸运的是，切伦科夫光以皮秒爆发的形式出现，而闪烁光则持续纳秒。

“如果你有非常快的光子探测器，你可以利用时差来帮助分离这两个特征，”她说。Eos将用日本滨松公司制造的242个光电倍增管包围液体罐，这些光电倍增管比目前的光电倍增管快三倍。

切伦科夫光的可见光区域比闪烁光具有更红的光谱，闪烁光大多是蓝色的。该团队利用了这一点，用“二向色性”滤光片包围前排光电倍增管，该滤光片将红色切伦科夫光反射到光电倍增管中，但让蓝色闪烁光通过后排的光电倍增管。

“你基本上是按波长对光子进行分类，并根据波长将它们引导到不同的光子探测器，”她说。

5 people wearing goggles inside a plastic tent below a shiny bank of amber photomultiplier tubes — Gabriel Oren Gann（左）与加州大学伯克利分校团队的一部分组装Eos探测器。从左到右，项目科学家 Zara Bagdasarian 和 Leon Pickard、本科生 Joseph Koplowitz 和博士后研究员 Tanner Kaptanoglu。它们站在探测器钢制外容器的盖子下方。盖子配有光电倍增管，用于检测粒子与水和闪烁体相互作用产生的光，这些水和闪烁体将填充丙烯酸内容器。

Orebi Gann 和她的团队于 9 月开始组装 Eos，但由于运载它的卡车与立交桥相撞，第一个钢罐被毁，因此推迟了六个星期。这些储罐是如此之大，以至于研究人员不得不将实验安置在一个由加州大学伯克利分校核工程系运营的大型地下室实验室中 – 以前是核反应堆。

他们用光电倍增管包围亚克力罐，然后将整个组件提升到一个圆柱形钢罐中。然后，将内部亚克力罐以及亚克力和钢罐之间的间隙充满纯水，将光电倍增管浸没在间隙中。一旦研究小组测试了Eos探测来自人造放射源和自然宇宙μ介子的切伦科夫光的能力，他们将逐步添加闪烁体材料，以测试实验区分两种类型的光发射的能力。

“我们还设计了我们的探测器，以便我们可以部署纯液体闪烁体，”Orebi Gann说。“这将是最终的考验：即使有最大的闪烁分量，我们是否仍然能看到切伦科夫的特征。

计划要求探索EOS如何监测小型模块化反应堆和核动力海上船只，并检查试验场的透明度。

Orebi Gann还渴望在一般的中微子物理学研究中采用Eos设计，例如测量来自太阳核心的中微子通量，以验证为其提供动力的预测核反应;研究中微子的陆地来源;绘制银河系及其他地区的弥漫超新星中微子背景;以及正在进行的对无中微子双β衰变的搜索，这将表明中微子是它自己的反粒子。

所有这些问题都已经在用闪烁体或切伦科夫探测器进行探索，但Orebi Gann希望混合探测器能够加快进展。

“与这些探测器过去所做的物理学相同，我们可以做得更好，”她说。“这就是我们的目标。这是下一代的研发。

混合中微子探测器

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