探索中微子的过程中看到意想不到的事情，为物理学打开了一扇新门

美国能源部橡树岭国家实验室的COHERENT粒子物理实验，已经确定了新型中微子相互作用的存在。由于中微子是电中性的，并且仅与物质发生微弱的相互作用，因此观察这种相互作用的探索过程推动了探测器技术的发展，并为旨在解释宇宙奥秘的理论增加了新的信息。

图注：来自印第安纳大学布卢明顿分校的SCGSR获奖者雅各布·泽特莫耶（Jacob Zettlemoyer）领导了数据分析，并与ORNL的迈克·弗布布拉罗（Mike Febbraro）共同研究了在蓝色光下显示的涂层，以将氩光转移到可见波长以增强检测。

印第安纳大学物理学教授雷克斯·泰洛伊（Rex Tayloe）说：“中微子被认为是有关宇宙本质的许多悬而未决的问题的核心。”他领导了散裂中子源或ORNS美国科学部用户办公室SNS的中微子低温液态氩检测器的安装、操作和数据分析。

该研究发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，该研究成果是观察到了低能中微子通过弱核力与氩原子核相互作用，这个过程称为相干弹性中微子核散射（CEvNS）。就像乒乓球轰击垒球一样，击中原子核的中微子只会将少量能量转移到更大的原子核上，从而对微小的攻击几乎没有反应力。

2017年发表在《科学》杂志上的一项研究为了发现氩核奠定了基础，其中COHERENT合作者使用了世界上最小的中微子探测器来提供相干弹性中微子核散射（CEvNS）过程的第一个证据，因为中微子与更大、更重的铯和碘化物核相互作用。它们的反冲力甚至更小，就像保龄球对乒乓球起反应。

杜克大学物理学家、科学技术目标的发言人和组织者凯特·斯科尔伯格说：“粒子物理的标准模型可以预测中微子从原子核的相干弹性散射。”这次合作有来自四个国家19个机构的80名参与者。“看到中微子与氩气的相互作用，氩气是被测量过的最轻的核，这证实了早期从较重的核中观察到的结果。测量过程精确地建立了对替代理论模型的约束。”

图注：印第安纳大学物理学本科生玛丽亚·德尔·瓦莱·科洛（Maria del Valle Coello）正在观看安装在SNS中微子胡同中的CENNS-10检测器。

田纳西大学诺克斯维尔分校的物理学家尤里·埃夫雷缅科（Yuri Efremenko）和ORNL领导了更灵敏的光电探测器的开发，他说：“氩气提供了一个“门”。相干弹性中微子核散射（CEvNS）过程就像一座我们知道应该存在的建筑物。 钠和碘化物的测量是让我们进入建筑物的一扇门。我们现在打开了另一扇氩气门。” 误差栏中的氩气数据与标准模型一致。但是，更大的探测器带来的更高的精度可能使科学家看到新的东西。埃弗雷缅科补充说：“看到意想不到的事情就像打开门，看到了奇妙的宝藏一样。”

“我们正在寻找打破标准模型的方法。我们喜欢标准模型；它确实很成功。但是有些事情并不能解释。”ORNL负责COHERENT的物理学家杰森·纽比（Jason Newby）说，“我们怀疑，在这些可能破坏模型的小地方，人们可能会等待有关宇宙本质、反物质和暗物质等重大问题的答案。”

COHERENT团队使用SNS上世界上最亮的脉冲中子源来帮助寻找答案。SNS生产的用于研究的中子产生中微子作为副产物。在纽比和埃弗雷缅科的领导下，SNS汞目标下方的一条服务走廊已转变为专门的中微子实验室，称为中微子胡同。一个24公斤重的探测器，称为CENNS-10，位于距低能量中微子源27.5米的位置，该源可优化发现相干相互作用的机会。这意味着接近中微子会看到整个核的弱力，与非相干相互作用相比，会导致更大的影响。

更大的检测器更擅长进行高精度测量，而CENNS-10检测器技术只需添加更多的液态氩即可轻松扩展规模。

CENNS-10检测器最初是由COHERENT合作者JongheeYoo在费米实验室制造的。他和泰洛伊将其带到IU，并在IU上进行了翻新，然后于2016年在SNS上安装。纽比和埃弗雷缅科已准备好SNS站点，并用层状铅、铜和水屏蔽以消除中子本底。

在初步测量表明该实验不会被背景所控制后，将波长转换涂层应用于光电探测器和内部反射器，从而显着改善了光收集。通过将氪-83注入液态氩中来校准检测器，以计算存在的光子数。

发表的结果使用了从CENNS-10收集的18个月的数据。数据分析显示159次相干弹性中微子核散射（CEvNS）事件，与标准模型预测一致。

COHERENT的数据将帮助全球研究人员解释其中微子测量结果，并测试其可能的新物理学理论。由标准模型预测并由COHERENT观察到的中微子——核相互作用的可计算指纹也具有实际应用。“这是一种测量核内中子分布和中子星密度的方法。” 埃弗雷缅科说，“这是对核物理学和天体物理学的贡献，因为其过程非常相似。”

全面的中微子研究需要不同类型的探测器。为了进一步实现在各种原子核上观察相干弹性中微子核散射（CEvNS）的目标，明年将在中微子胡同（Neutrino Alley）中安装一个基于16公斤重的锗核检测器，该检测器比氩气大，但小于铯和碘化物。自2017年以来，已安装了一系列碘化钠检测器，以扩大在那里使用的碘化铯检测器。

同时，尽管COVID-19仍然肆虐全球，数据收集仍将继续进行，因为COHERENT合作者会远程监控其液氩探测器。他们希望将其扩大到吨级，以便每年看到25倍的事件，并能够观察详细的能谱，从而揭示新物理学的特征，包括存在不弱相互作用的无菌中微子，因此不会展示出连贯的互动。

最终，他们希望在SNS的第二目标站增加一个更大的10吨液氩探测器。纽比说：“我们正在推动这项技术，以便将来我们能够回答需要更高精确度的问题。”