众所周知，中微子是反社会的。在粒子物理学中，它们是最不情愿与其他粒子相互作用的。每秒钟有数千亿个中微子穿过你的身体，但每周只有大约一个中微子会真正与你身体中的粒子发生碰撞。
这种罕见性让物理学家们的生活很艰难，他们不得不建造巨大的地下探测器水箱，以期有机会捕捉到奇特的中微子。但在今天发表在《科学》杂志上的研究中，在橡树岭国家实验室（ORNL）工作的研究人员使用一个消防栓大小的探测器，探测到了前所未见的中微子相互作用。他们的壮举为新的超新星研究、暗物质搜索甚至核不扩散监测铺平了道路。
在以前的方法中，中微子通过在原子核周围的巨大空虚中偶然碰到质子或中子来显露自身，产生闪光或单原子化学变化。但是，中微子只通过“弱”力——导致放射性物质衰变的根本力——与其他粒子通信。由于弱力只在亚原子距离上起作用，因此一个微小的中微子从单个中子或质子反弹的可能性微乎其微。物理学家必须提供数千吨原子，以补偿中微子可能撞击的机率。
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新的实验合作，称为COHERENT，而是寻找一种称为CEvNS（发音为“七分”）的现象，即相干弹性中微子-原子核散射。CEvNS依赖于粒子和波之间的量子力学等价性，与海浪相当。大多数实验所寻求的高能中微子就像短而急促的海浪。当这种狭窄的波浪穿过漂浮的碎片时，它们可以一次挑选出一片叶子或一根树枝来抛掷。类似地，高能中微子通常会挑选出单个质子和中子与之相互作用。但就像长而慢的波浪会一次捡起整块碎片一样，低能中微子将整个原子核视为一个“相干”的整体。这大大提高了相互作用的几率。随着原子核中中子数量的增加，中微子撞击的有效目标尺寸不仅与该数量成正比增长，而且还与该数量的平方成正比增长。
当然，一旦中微子和原子核碰撞，仍然必须检测到碰撞。中微子反弹并继续其难以理解的游荡，但原子核也会因撞击而略微后退。这种震动将一些电子从它们围绕原子核及其邻居的轨道中踢出。当电子回到原位时，它们会以光子的形式释放所获得的能量。每个光子爆发都是中微子的名片。
中微子巷
尽管它们比其他中微子碰撞的发生率高几个数量级，但CEvNS相互作用对检测构成了巨大的挑战——以至于自从该机制在43年前首次被理论化以来，没有任何研究观察到它们。COHERENT的成功归功于其中微子源和目标材料的选择——以及一条狭窄的地下室走廊的意外帮助。
COHERENT面临的第一个问题是核反冲的极度微小。“想象一下，你拿一个乒乓球，然后把它扔向一个保龄球，”坦普尔大学物理学教授吉姆·纳波利塔诺说，他没有参与这项研究。“我们从动量守恒定律中得知，少量能量会传递给保龄球。这个[实验]正在检测保龄球的能量”——大约10个光子的信号。
因此，COHERENT面临的挑战是找到一种具有足够大原子核的材料，以便中微子可以轻易撞击，但也要足够小，以便它们在撞击时会明显反冲。此外，该材料必须是透明的，以便光子可以到达探测器。“这花了我很多思考——也许15年，”芝加哥大学物理学教授、该研究的主要作者之一胡安·科勒说。
第二个限制是中微子本身。理论上，快速移动的中微子的反冲会更大，因此更容易被发现——但如果中微子速度太快，它们将拥有太多能量而无法相干地相互作用。最终，科勒和他的同事们意识到掺钠的碘化铯（一种透明的晶体材料）将是散裂中子源（SNS）副产品产生的理想目标，SNS 是 ORNL 的中子产生粒子对撞机。
用于 SNS 粒子加速器的低温模块，该加速器产生中子，沿光束线分配到实验站。产生中子的同一过程也产生中微子，中微子进入 SNS 地下室的 COHERENT 探测器。图片来源：让·拉夏 芝加哥大学
但是使用 SNS 作为中微子源增加了一个第三个复杂因素。中子可以令人信服地模仿中微子：它们没有电荷，因此不会出现在电磁探测器上，并且它们可以像中微子一样撞击原子核。当 COHERENT 团队首次测试 SNS 地面时，桑迪亚国家实验室的合著者大卫·雷纳说，他们发现中子从 SNS 的中子产生地点流出，正如预期的那样——但也涌入了邻近实验厅的屏蔽层。来自中子的探测器噪音非常严重，以至于研究人员担心他们可能根本无法使用该设施。
幸运的是，ORNL 的粒子物理学教授 尤里·叶夫雷缅科 有一个幸运的发现：SNS 对撞机下方的地下室走廊。尽管靠近中子源，但它恰好被支撑对撞机多吨混凝土的致密压实土壤屏蔽。在与 ORNL 安全团队谈判后，COHERENT 团队移走了存放在走廊中的空桶，并在他们新的“中微子巷”中开始工作。
充满中微子的未来
专家们对 COHERENT 的结果赞不绝口。麻省理工学院物理学教授珍妮特·康拉德说她“真的，真的很高兴”。纳波利塔诺称这篇论文“具有纪念意义”和“一项巨大的成就”。与《大众科学》交谈的任何外部专家都没有对这篇论文提出任何技术上的异议。凭借对 CEvNS 现象的如此令人信服的演示，科学家们现在可以从寻找它转向使用它。
最大的意义在于拥有科勒所说的“手持式中微子探测器”。小型化将对中微子研究人员大有裨益；康拉德指出，她之前的实验之一尽管有 40 英尺高，但在其名称中带有“迷你”。（较大的探测器对于研究无法用 CEvNS 测量的中微子特性仍然有用。）小型探测器最终还可以协助国际原子能机构监测核反应堆，以秘密生产原子武器的燃料，雷纳说。反应堆堆芯泵出的中微子无法屏蔽或隐藏，因此如果可以调整 CEvNS 探测器以发现这些低能中微子，检查员可以远程检查反应堆的活动是否与运营商的声明相符。
CEvNS 现象本身也开辟了新的科学前沿。科勒和他的同事们已经在努力测试不同材料中中微子探测率是否与理论预测相符。这些相同的理论控制着超新星中发生的事情，超新星将其 99% 的能量以中微子的形式释放出来。这意味着除了探测超新星之外，进一步的 CEvNS 实验还可以证实或驳斥这些巨大的恒星爆炸模型。暗物质研究人员正在松一口气，因为 CEvNS 的近亲可以支持正在进行的对一种假设的暗物质形式的搜索，这种暗物质被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）。科勒说，COHERENT 的发现支持了 WIMP 理论的可行性，并指明了未来检测技术的方向。
密歇根大学物理学家 乔什·斯皮茨 说，所有这些潜在的进步都让物理学家们兴奋不已。“这项[研究]只是冰山一角。还有更多有趣的东西即将到来。”