导读：​2021年CPC第七期的封面文章带给大家反应堆中微子的最新研究。该文章分析了2011年至2017年大亚湾实验获取的反应堆中微子事例数据，反解出总测量能谱以及反应堆两种主要裂变核数对应的原始中微子能谱。该工作进一步验证了目前反应堆中微子模型与测量数据之间的不一致性，并提出一种国际上最精确的反应堆中微子能谱预期方法。
 
      故事开始于1930年12月4日，为了解决贝塔衰变中的连续电子能量分布问题，泡利在一封国际会议的公开信中提出中微子的存在。由于当时认为中微子与其他物质的相互作用非常弱，因此中微子被称为幽灵粒子，很难通过实验探测到。直到1956年，莱因斯和柯温首次探测到反应堆发出的中微子，从实验上证实了中微子的存在。这项工作获得了1995年的诺贝尔奖。自此，作为重要的中微子源，反应堆一直被用来研究幽灵粒子的性质。
      2012年，大亚湾中微子实验通过探测来自不同距离的反应堆中微子，首次以超过5倍标准偏差的置信水平下证明了中微子的第三种振荡模式，并精确测量了其中一个中微子振荡参数的大小。中微子有三种类型，它们在飞行的过程中会有一定的几率变为其他两种类型的粒子，这种现象叫做中微子振荡。中微子振荡现象可以用6个振荡参数进行描述，而大亚湾中微子实验精确测量了其中最小的混合角度，并且该实验的测量结果将在未来的几十年内保持领先地位。
       反应堆主要通过²³⁵U、²³⁸U、²³⁹Pu和²⁴¹Pu的自持链式反应，将原子核中的结合能释放出来，从而实现核能的利用。反应堆的燃料主要是浓缩到2%到4.5%的²³⁵U和占大部分的²³⁸U组成。反应堆在运行过程中，²³⁵U通过吸收一个中子发生裂变，产生中子和大量不稳定的核素，这些不稳定核素会发生贝塔衰变，从而发射出特定类型的中微子。同时，产生的中子经过慢化可以继续触发²³⁵U的裂变，从而产生持续的链式反应。除此之外，中子还可以被²³⁸U俘获，从而产生两种可裂变原子核：²³⁹Pu和²⁴¹Pu。这两种核素同样会像²³⁵U一样发生裂变并产生一系列不稳定核素，从而释放出反应堆中微子。一个热功率为1GW的反应堆每秒钟可释放出2万亿亿个中微子，能量大约为几个MeV。
        这些反应堆中微子穿透能力极强，其中部分中微子最终传播到大亚湾实验的探测器下，被探测器的特殊液体物质——液体闪烁体所捕获到。反应堆中微子为电子型反中微子（νe），它们可以被液体闪烁体中的质子（p）反应，从而产生正电子（e+）和中子（n）。正电子会马上与周围的负电子发生湮灭，从而产生第一个光信号。而中子则会经过一段时间，被液体闪烁体中掺杂的钆原子所俘获，从而产生特定能量的第二个光信号。我们可以通过两个信号之间的时间特征和能量特征，将反应堆中微子的信号捕捉到。
      早在20世纪末，核物理学家们通过分析原子核裂变的电子能量分布，得到反应堆中不同核素对应的中微子流强和能量分布。大亚湾实验捕捉到的反应堆中微子总事例数与核物理学家们预期的总数有大约5%的缺失，这个现象称为“反应堆中微子反常”。同时该实验还看到反应堆中微子的能量分布与核物理学家们的预期分布不一致，在某特定能量区间内实验数据相对于预期有个明显的鼓包。这些现象证明我们之前对反应堆中微子的理解不够充分，同时也可能存在超出已有物理框架的现象。
      实验中探测到的中微子能量分布是四种核素对应中微子能量分布的叠加，为了更好地理解反应堆中微子的能量分布，本研究通过利用反应堆运行过程中各个核素成分随时间的变化，从总测量的中微子能量分布中提取出两种主要核素（²³⁵U和²³⁹Pu）产生的中微子能量分布。相对于核物理学家们预期的能量分布，这两种主要核素对应的中微子能量分布在特定能量区间内有相似的鼓包。由于大亚湾实验对中微子能量分布的测量更加准确，我们还利用特殊的技术，从实验数据中去除掉探测器响应带来的影响，给其他实验提供一个数据驱动的预期。这是世界首次从反应堆数据提取出两种主要核素的中微子能量分布，同时也提供了目前最为精确的反应堆中微子能量分布的预期方法。
      随着研究的深入，我们期待未来的实验中能更加精确地测量反应堆中的幽灵粒子，揭示反应堆中中微子的产生规律，并应用于对反应堆的监控当中。

原文链接： http://cpc.ihep.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-1137/abfc38