探索中微子的過程中看到意想不到的事情，為物理學打開了一扇新門

美國能源部橡樹嶺國家實驗室的COHERENT粒子物理實驗，已經確定了新型中微子相互作用的存在。由於中微子是電中性的，並且僅與物質發生微弱的相互作用，因此觀察這種相互作用的探索過程推動了探測器技術的發展，併為旨在解釋宇宙奧秘的理論增加了新的信息。

圖注：來自印第安納大學布盧明頓分校的SCGSR獲獎者雅各布·澤特莫耶（Jacob Zettlemoyer）領導了數據分析，並與ORNL的邁克·弗布布拉羅（Mike Febbraro）共同研究了在藍色光下顯示的塗層，以將氬光轉移到可見波長以增強檢測。

印第安納大學物理學教授雷克斯·泰洛伊（Rex Tayloe）説：“中微子被認為是有關宇宙本質的許多懸而未決的問題的核心。”他領導了散裂中子源或ORNS美國科學部用户辦公室SNS的中微子低温液態氬檢測器的安裝、操作和數據分析。

該研究發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，該研究成果是觀察到了低能中微子通過弱核力與氬原子核相互作用，這個過程稱為相干彈性中微子核散射（CEvNS）。就像乒乓球轟擊壘球一樣，擊中原子核的中微子只會將少量能量轉移到更大的原子核上，從而對微小的攻擊幾乎沒有反應力。

2017年發表在《科學》雜誌上的一項研究為了發現氬核奠定了基礎，其中COHERENT合作者使用了世界上最小的中微子探測器來提供相干彈性中微子核散射（CEvNS）過程的第一個證據，因為中微子與更大、更重的銫和碘化物核相互作用。它們的反衝力甚至更小，就像保齡球對乒乓球起反應。

杜克大學物理學家、科學技術目標的發言人和組織者凱特·斯科爾伯格説：“粒子物理的標準模型可以預測中微子從原子核的相干彈性散射。”這次合作有來自四個國家19個機構的80名參與者。“看到中微子與氬氣的相互作用，氬氣是被測量過的最輕的核，這證實了早期從較重的核中觀察到的結果。測量過程精確地建立了對替代理論模型的約束。”

圖注：印第安納大學物理學本科生瑪麗亞·德爾·瓦萊·科洛（Maria del Valle Coello）正在觀看安裝在SNS中微子衚衕中的CENNS-10檢測器。

田納西大學諾克斯維爾分校的物理學家尤里·埃夫雷緬科（Yuri Efremenko）和ORNL領導了更靈敏的光電探測器的開發，他説：“氬氣提供了一個“門”。相干彈性中微子核散射（CEvNS）過程就像一座我們知道應該存在的建築物。 鈉和碘化物的測量是讓我們進入建築物的一扇門。我們現在打開了另一扇氬氣門。” 誤差欄中的氬氣數據與標準模型一致。但是，更大的探測器帶來的更高的精度可能使科學家看到新的東西。埃弗雷緬科補充説：“看到意想不到的事情就像打開門，看到了奇妙的寶藏一樣。”

“我們正在尋找打破標準模型的方法。我們喜歡標準模型；它確實很成功。但是有些事情並不能解釋。”ORNL負責COHERENT的物理學家傑森·紐比（Jason Newby）説，“我們懷疑，在這些可能破壞模型的小地方，人們可能會等待有關宇宙本質、反物質和暗物質等重大問題的答案。”

COHERENT團隊使用SNS上世界上最亮的脈衝中子源來幫助尋找答案。SNS生產的用於研究的中子產生中微子作為副產物。在紐比和埃弗雷緬科的領導下，SNS汞目標下方的一條服務走廊已轉變為專門的中微子實驗室，稱為中微子衚衕。一個24公斤重的探測器，稱為CENNS-10，位於距低能量中微子源27.5米的位置，該源可優化發現相干相互作用的機會。這意味着接近中微子會看到整個核的弱力，與非相干相互作用相比，會導致更大的影響。

更大的檢測器更擅長進行高精度測量，而CENNS-10檢測器技術只需添加更多的液態氬即可輕鬆擴展規模。

CENNS-10檢測器最初是由COHERENT合作者JongheeYoo在費米實驗室製造的。他和泰洛伊將其帶到IU，並在IU上進行了翻新，然後於2016年在SNS上安裝。紐比和埃弗雷緬科已準備好SNS站點，並用層狀鉛、銅和水屏蔽以消除中子本底。

在初步測量表明該實驗不會被背景所控制後，將波長轉換塗層應用於光電探測器和內部反射器，從而顯着改善了光收集。通過將氪-83注入液態氬中來校準檢測器，以計算存在的光子數。

發表的結果使用了從CENNS-10收集的18個月的數據。數據分析顯示159次相干彈性中微子核散射（CEvNS）事件，與標準模型預測一致。

COHERENT的數據將幫助全球研究人員解釋其中微子測量結果，並測試其可能的新物理學理論。由標準模型預測並由COHERENT觀察到的中微子——核相互作用的可計算指紋也具有實際應用。“這是一種測量核內中子分佈和中子星密度的方法。” 埃弗雷緬科説，“這是對核物理學和天體物理學的貢獻，因為其過程非常相似。”

全面的中微子研究需要不同類型的探測器。為了進一步實現在各種原子核上觀察相干彈性中微子核散射（CEvNS）的目標，明年將在中微子衚衕（Neutrino Alley）中安裝一個基於16公斤重的鍺核檢測器，該檢測器比氬氣大，但小於銫和碘化物。自2017年以來，已安裝了一系列碘化鈉檢測器，以擴大在那裏使用的碘化銫檢測器。

同時，儘管COVID-19仍然肆虐全球，數據收集仍將繼續進行，因為COHERENT合作者會遠程監控其液氬探測器。他們希望將其擴大到噸級，以便每年看到25倍的事件，並能夠觀察詳細的能譜，從而揭示新物理學的特徵，包括存在不弱相互作用的無菌中微子，因此不會展示出連貫的互動。

最終，他們希望在SNS的第二目標站增加一個更大的10噸液氬探測器。紐比説：“我們正在推動這項技術，以便將來我們能夠回答需要更高精確度的問題。”