近期，SNO+（Sudbury Neutrino Observatory +）合作组在国际上首次实现利用水契伦科夫技术测量反应堆中微子，基线长度大于240公里，统计显著度为3.5倍标准偏差。实验结果于3月1日在线发表在《物理评论快报》（Phys.Rev.Lett. 130, 091801,(2023)）。论文同时被选为编辑推荐（Editors’suggestion）和物理特写（Featured in physics）【1】。山东大学前沿交叉科学青岛研究院的张洋教授是该研究结果的主要完成人之一，独立完成了论文所述两种并行方法的其中一种。目前，张洋教授担任SNO+国际合作组的中方代表。 中微子是一种基本粒子，在宇宙中无处不在，数密度仅次于光子，是构成物质世界的基本砖块之一。中微子与物质之间只发生弱相互作用，每秒钟大约有  个中微子穿过人体却不会引起任何感觉。太阳核聚变、超新星爆发、宇宙大爆炸、自然界中的放射性衰变和人造反应堆，都会释放出大量中微子。

中微子对于研究宇宙和物质世界，有着至关重要的作用，和中微子研究直接相关的诺贝尔物理学奖就有 4 次。反应堆中微子是反电子中微子，在反应堆核裂变（例如铀-235）过程中大量产生，一个热功率为 1GW 的反应堆，每秒可以释放出上万亿亿个反电子中微子，因此反应堆可为研究中微子提供强大的中微子源，譬如，人类首次直接发现中微子就是利用反应堆释放的中微子来测量的【2】，我国的大亚湾实验首次测到中微子的第三种振荡模式也用的是反应堆中微子【3】；反过来，通过测量反应堆中微子也可监测反应堆的运行状况，以及一些秘密的核武器试验活动。 SNO+ 实验的前身 SNO 实验破解了太阳中微子失踪之谜，和日本超级神冈实验分享了 2015 年的诺贝尔物理学奖。SNO 实验位于世界上最深的地下实验室之一，加拿大萨德伯里地下2千米的一处废弃镍矿。实验之所以放置地下这么深，主要是为了屏蔽宇宙线本底对测量中微子信号的干扰。在 SNO 实验，每小时只有大约 3个宇宙线缪子通过。

SNO+ 实验沿用了 SNO 的基础设施，并把原来的靶物质重水替换成新的靶物质。根据不同的实验阶段，新的靶物质依次为纯水，液体闪烁体和掺杂碲-130 元素的液体闪烁体。SNO+ 实验以研究中微子的本质属性、宇宙中正反物质的不对称性和中微子其它相关的重要科学问题为主要科学目标。在 2017 年-2019 年，SNO+ 探测器装满了约 1 千吨纯水试运行，以研究探测器的基本性能。这也是世界上能量阈值最低的水契伦科夫探测器。 一般认为，利用纯水测量反应堆中微子是无法实现的【4】。比如，世界上最大的水契伦科夫探测器-超级神冈，含水 5 万吨，运行将近 30 年，没能实现对反应堆中微子的探测。要测量反应堆中微子，探测器本身需要非常干净，包括宇宙线缪子本底的干扰和天然放射性本底的干扰都要减少到足够小的程度，同时探测器的阈值必须足够低才能记录反应的信号。由于中微子和物质的反应非常微弱，探测器的靶物质需要足够大。SNO+ 实验满足了这些基本条件。

反应堆中微子从堆芯出发，不偏折不衰减地进入 SNO+ 探测器，和纯水中的质子发生反贝塔衰变。根据反应所产生的即时正电子信号和延时中子俘获信号，就可以确定反应堆中微子信号。但是，两个天然放射性事例通过时间和空间上的偶然符合也可以假乱真，模拟成信号的特征，这是实验分析时遇到的最大挑战。

“在数据分析时，我们采用两种独立的方法，把偶然符合本底降低了 7 个数量级，同时尽量不损失信号效率。两种方法相互交叉印证，保证了实验结果的可靠性。”张洋回忆说。 美国《物理》杂志【5】以 “Reactor Neutrinos Detected by Water” 为题对这项成果进行了报道。其中提到，“Researchers have captured the signal of neutrinos from a nuclear reactor using a water-filled neutrino detector, a first for such a device.”（研究者用装满水的中微子探测器俘获了来自核反应堆的中微子，对这种探测器来说是首次），并称这个成果为一个突破 (“breakthrough”)。紧接着，多家国际新闻媒体先后对这个成果进行了报道【6】。

《现代物理知识》邀请中国科学院高能所副所长、江门中微子实验国际合作组副发言人及工程常务副经理，曹俊研究员对这个成果进行了点评：“加拿大的 SNO+ 实验用纯水首次探测到反应堆中微子，是一件非常有意思的事。这需要探测器的能量阈值（即能探测到的最低能量）非常低，也需要本底非常低。日本超级神冈实验最初的能量阈值是 6 MeV，经过改进，现在为 3.5 MeV，而在纯水中，反应堆中微子信号中的中子信号能量为 2.2 MeV，因此探测不到。SNO+ 的能量阈值为 1.4 MeV，对中子的探测效率达到了 50%。即将投入运行的江门中微子实验也会有一段时间灌装纯水，因为探测器体积更大，能量阈值更低，应该能更干净地用纯水探测到反应堆中微子。这项技术未来与其它技术结合，例如在水中掺钆、采用更高探测效率的光电探测器件等，也许会有实用价值。当然，这也需要克服新的困难。例如超级神冈实验现在已在水中掺了钆，但钆一般会带来较多的放射性本底，仍然难以探测到反应堆中微子。用现在 SNO+ 的探测技术研究反应堆中微子还不太现实，但它首次展示了这种可能性。” 水是纯天然无公害的物质，在生活中唾手可得。水无毒、不贵、容易处理的特性，是选用无接触式核反应堆监测技术时的重要考虑因素。核能已经是很多国家优先使用的清洁能源，世界上 10% 左右的电能来自核能。

“核能需要被和平安全地利用”张洋评论道，“用中微子探测器监测核反应堆甚至武器级别的核材料，探测器需要做到很大，这时候纯水探测器将会是一个很好的选择，安全又省钱。”

另外从探测器研制方面，这项成果也拓展了水契伦科夫探测器的研究范围。因此纯水捕获反应堆中微子被评价为中微子探测技术的重大突破。


参考文献：
【1】    https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.091801
【2】    https://www.science.org/doi/10.1126/science.124.3212.103 
【3】    https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.108.171803
【4】    https://physics.aps.org/articles/v13/36
【5】    https://physics.aps.org/articles/v16/s28
【6】    https://aps.altmetric.com/details/143019232，https://www.newscientist.com/article/2362490-antimatter-neutrinos-detected-from-a-nuclear-reactor-240-km-away/ 

作者介绍：
山大中微子团队：山东大学是国内开展粒子物理研究较早的研究单位之一， 山大中微子团队作为山大粒子物理和核物理方向的一个重要学科团队，在中微子研究方面有着深厚的底蕴，在大亚湾实验中，以王萌教授为领导的中微子团队负责了离线软件和计算系统，为首次发现中微子振荡的第三种模式做出了突出贡献。目前，山大中微子团队参与了我国的 JUNO 实验，PandaX 实验和加拿大 SNO+ 实验等，团队包含多名教授和副教授。