50年謎團終結！科學家用“午餐盒”抓住幽靈粒子，核物理新突破

想象一下，一種粒子幾乎沒有質量，也沒有電荷，每秒鐘有數十億個穿過你的身體，卻從未留下任何痕跡。這就是被稱為“幽靈粒子”的中微子。捕捉它們是物理學界最艱巨的任務之一，通常需要建造像體育館一樣巨大的探測器，并將其深埋地下。但現在，德國馬克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）的科學家們帶來了一個驚人的好消息：他們用一個只有午餐盒大小的探測器，成功捕捉到了核反應堆產生的中微子！

這項突破性研究，近日登上了著名的《自然》（Nature）期刊。它標志著困擾科學家們長達50年的一個物理學預測，終于得到了證實，也為未來開發更小、更靈敏的探測器，探索宇宙的奧秘，打開了全新的大門。

中微子是宇宙中最神秘、最普遍的粒子之一。它們幾乎不與任何物質發生相互作用，因此被稱為“幽靈粒子”。為了探測它們，科學家們通常會利用一種名為**相干彈性中微子-原子核散射（CEvNS）**的罕見現象。簡單來說，就是中微子與整個原子核作為一個整體發生碰撞，而不是只與其中的質子或中子發生碰撞。這種碰撞產生的能量非常微弱，難以被探測到。

早在1974年，物理學家們就預測了這種CEvNS現象的存在，但直到2017年，科學家才在粒子加速器上首次證實了它的發生。而在核反應堆的環境中，由于能量更低，這種現象的探測難度更高，一直是一個未能解決的挑戰。

而MPIK的團隊，這次正是利用了核反應堆，成功捕捉到了這種難以捉摸的CEvNS信號。他們的關鍵武器，就是名為CONUS+的超小型探測器。這個探測器重量只有3公斤，內部裝有高靈敏度的鍺半導體探測器。他們將它放置在瑞士KKL核電站反應堆附近，以最大限度地捕捉到反應堆產生的大量反中微子。

這項研究最激動人心的地方在于，它證明了即便是在能量較低的核反應堆環境中，CEvNS現象也同樣存在，并且能夠被如此小巧的探測器成功捕捉。經過2023年至2024年間大約119天的測量，科學家們成功地從大量背景噪聲中，提取出了395個中微子信號，這無疑是一次巨大的成功！

這項突破性研究的意義是巨大的：

1. 物理學界的重大里程碑

它首次在核反應堆中觀測到CEvNS現象，解決了長達50年的科學難題。這不僅驗證了粒子物理學的標準模型，也為我們研究中微子和原子核之間的弱相互作用提供了新的實驗依據。

2. 探測器技術的革命

傳統的探測器動輒需要成百上千噸的材料和巨大的體積，而CONUS+探測器的小型化，展示了未來探測器發展的巨大潛力。更小、更便攜的探測器，可以在更多地方被部署，例如地下礦井、深海甚至空間站，為探索更廣泛的宇宙現象提供可能。

3. 未來的應用前景

這項技術不僅能幫助科學家探索基礎物理，還有望應用于實際生活中。例如，更小、更靈敏的中微子探測器可以用于監測核反應堆的運行狀態，保障核安全。它甚至可能為未來的核不擴散技術提供新的思路，通過探測非法核活動產生的特殊中微子信號來加以識別。

當然，這項研究只是開始。科學家們還需要進行更深入的分析，以更精確地測量CEvNS的性質，并將其與其他理論預測進行對比。但毫無疑問，這次成功的捕獲，為人類理解中微子，以及探索宇宙的起源和構成，注入了新的活力。

參考資料：DOI:10.1038/s41586-025-09322-2