纯水在中微子探测中的突破：确保核不扩散的一把好手

SNO探测器内部充满水时的景象。在背景中，有9000个检测光子的光电倍增管和（现在）容纳液体闪烁剂的丙烯酸容器。当添加闪烁剂时，外面纵横交错的绳索将其压住，防止其向上漂浮。丙烯酸容器有12米宽，大约是一个奥林匹克大小的游泳池的一半。该探测器位于SNOLAB，这是一个位于加拿大萨德伯里附近地下2公里的研究设施。资料来源：SNO+合作项目)

被称为萨德伯里中微子观测（SNO+）的国际合作实验位于安大略省萨德伯里的一个矿区，距离最近的核反应堆大约240公里（约149.13英里），它利用纯水检测到了被称为反中微子的亚原子粒子。克莱因指出，之前的实验是用液体闪烁计数器来做的，这是一种类似油的介质，当电子或质子等带电粒子通过它时会产生大量的光。

"鉴于探测器需要在240公里外，大约是纽约州长度的一半，远离反应堆，需要大量的闪烁体，这可能是非常昂贵的，"克莱因说。"因此，我们的工作表明，可以建造非常大的探测器，只用水就可以做到这一点。"

什么是中微子和反中微子

克莱因解释说，中微子和反中微子是微小的亚原子粒子，是宇宙中最丰富的粒子，被认为是物质的基本组成部分，但科学家们一直难以探测到它们，因为它们与其他物质的相互作用稀少，而且它们不能被屏蔽，这意味着它们可以穿过任何和一切。但这并不意味着它们是有害的或放射性的，事实上， 每秒钟有近100万亿个中微子通过我们的身体而不被注意。

然而，这些特性也使得这些难以捉摸的粒子对于理解一系列的物理现象非常有用，比如宇宙的形成和对遥远的天体的研究，而且它们"有实际的应用，因为它们可以被用来监测核反应堆，并有可能探测到秘密的核活动，"克莱因说。

它们从哪里来

虽然中微子通常由高能量反应产生，如恒星中的核反应，如太阳中的氢气聚变为氦气，其中质子和其他粒子碰撞并释放中微子作为副产品，但反中微子通常由人工产生。"例如，核反应堆，为了分裂原子核，产生反中微子，作为反应的放射性β衰变的结果，"他说。"因此，核反应堆产生大量的反中微子，使其成为研究反中微子的理想来源"。

"通过测量反应堆的反中微子来监测反应堆，可以告诉我们它们是开还是关，"克莱因说，"甚至可能是它们在燃烧什么核燃料。"

克莱因解释说，因此可以远距离对一个外国的反应堆进行监测，以了解该国是否正在从一个发电反应堆转换为一个正在制造武器级材料的反应堆。仅用水进行评估意味着可以建造一系列大型但廉价的反应堆，以确保一个国家遵守其在核武器条约中的承诺，例如；这是确保核不扩散的一个把手。

为什么以前没有这样做

"反应堆反中微子的能量非常低，因此探测器必须非常干净，甚至没有微量的放射性，"克莱因说。"此外，探测器必须能够在足够低的阈值下'触发'，以便能够检测到这些事件。"

他说，对于一个远达240公里的反应堆来说，反应堆至少包含1000吨水是特别重要的。SNO+满足所有这些标准。

引领潮流

Klein认为他的前学员Tanner Kaptanglu和Logan Lebanowski是这项工作的带头人。虽然这一测量的想法构成了Kaptanglu博士论文的一部分，但Lebanowski，一位前博士后研究员，负责监督这一操作。

"与我们这里的仪器组一起，我们设计并建造了所有的数据采集电子装置，并开发了探测器的'触发'系统，这使得SNO+的能量阈值低到足以探测到反应堆反中微子。"