核反应堆实验室 （图片来源：University of Chicago）
德累斯顿核能发电站隶属于美国伊利诺伊州莫里斯市的Constellation公司（前身为艾索伦电力公司），芝加哥大学的科研团队在那里首次测量到了从装有微型探测器的核反应堆中释放出来的中微子。中微子极少与物质发生相互作用，因此极难捕捉，核能反应堆是地球上为数不多能产生高浓度中微子的地方。
领导这项研究的粒子物理学家Juan Collar教授称：“有机会从反应堆中获取大量中微子是令人心潮澎湃的，但同时，反应堆周围嘈杂的工业环境也是研究中的一项挑战。这是中微子物理学家最接近商业反应堆活性区的一次，得益于Constellation公司对我们实验的慷慨解囊，我们才有条件操作这些探测器，从而获得独特的经验。”
根据已有的实验基础，该小组正在计划开展更多测量，以找出有关粒子及原子核相互作用基本定律问题的答案。
中微子携带的信息可以让科学家得知反应堆活性区正在发生的事件，因此该技术也将有助于防止核扩散。探测器可以放置在反应堆旁，作为监测反应堆是否用于能源生产或武器制造的保障措施。
“数量级”
中微子有时被称为“幽灵粒子”，因为它们几乎无形地穿过所有物质。（就在今天，数十亿中微子已经在你不曾留意时从外太空飞来，穿过你的身体。）但如果能捕获它们，中微子就能告诉你它们从哪里来，那里发生了什么事，从它们身上，科学家们还能找到宇宙的基本性质。
图片来源：Pixabay
科学家们尤其想了解中微子行为的特定属性，比如它们是否具有磁矩等电磁特性，以及它们是否与我们尚未注意到的未知粒子相互作用，或以新的方式与已知粒子发生反应。尽可能多地对中微子进行广泛测量有助于缩小候选理论的范围。
对大量中微子的需求是吸引Collar团队关注核反应堆的主要原因。他指出：“在地球上的各种中微子源当中，产出量级最大的是商业反应堆。”在正常的运行过程中，核反应堆每秒都会产生数不胜数的中微子。当反应堆内的原子分解成更轻的元素时，中微子就会大量产生，以释放部分结合能。
但这其中还存在一个问题。由于中微子质量极小，并且很少发生相互作用，科学家们通常必须利用巨大的液体探测器来捕捉它们，这种探测器外形类似巨型水罐，里面装有探测液体。经过其中的中微子会与已知粒子发生反应，他们通过寻找反应信号得知中微子的存在。
液体探测器 图片来源：energy
然而，商业核反应堆内没有足够的空间容纳重达几吨的探测器，研究人员需要一些小得多的设备来代替。幸运的是，Collar是制造此类设备的专家，他所领导的团队曾建造了世界上最小的中微子探测器。
伊利诺伊州是核能技术领先的州之一，该州约有一半的电力来自核反应堆。Constellation公司授予了Collar许可，允许他在德累斯顿发电站——美国首批商业核电站之一测试探测器。
在此之前，Collar和他的团队曾在田纳西州橡树岭国家实验室的粒子加速器上测试过他们的微型探测器，在那里，他们可以较精密地控制大部分环境条件，以获得良好的信号。但为了让探测器在德累斯顿核电站也可以正常运行，他们必须建造出一个新版本，以适应反应堆运行时环境中的大量干扰。
“涡轮机中会存在辐射、热量、振动，以及来自泵和其他机械的射频噪声。”Collar解释道，“但我们设法解决了研发过程中的所有问题。”
Collar的团队设计了带有复杂多层屏蔽的探测器，以避免杂散粒子干扰数据。最终，他们能够将探测器留在原地，几个月无人看管维护也能照常采集数据。
该团队希望接下来能从另一个反应堆中获取数据，比如Constellation公司的Braidwood发电站，或西班牙海岸的Vandellòs核电站。Collar相信：“这种方法确实有助于我们理解中微子特性，从实验数据中可以洞悉很多理论知识。”
关于如何在嘈杂环境中操作小型探测器的知识也十分有用。Collar指出：“防止核扩散领域的团体有兴趣在反应堆旁设置探测器，因为这可以告诉人们活性区内正在发生的事件，由此揭示反应堆是否被用于与所宣称的用途一致。”
中微子的产生会根据反应堆中燃料和产物的不同而变化，因此探测器应该能够检测到武器生产的警告信号，以及燃料是否被秘密转移到其他地方。但要实现这一目标，此类探测器必须小巧、坚固且易于使用。Collar说，在德累斯顿核电站的工作有助于收集有价值的数据，使这种探测器的设计与建造成为可能。
中微子探测器可能还具有许多其他用途。Collar提出：“如果我们有了足够灵敏的中微子探测器，就可以用它们来绘制地球内部的地图。甚至可以探测到石油或其他有价值的沉积物。人们已经跟从这些思路进行了很多思考，但如何投入具体实践还有待研究。”
“这些先驱者研发出了我们今天仍在使用的技术，因此我们才能在大量背景噪声中找到相对微弱的目标信号。我们应将人类的探索痕迹视为当地的一种文化遗产，而伊利诺伊州就是核能发电领域的发祥之地。”
作者：Louise Lerner
翻译：叶欢仪
审校：张和持
引进来源：芝加哥大学（University of Chicago）
本文来自：中国数字科技馆
本文是中国数字科技馆(www.cdstm.cn)原创内容，转载请注明出处和作者，否则我们将依法追究侵权责任。
[责任编辑：环球科学]
京公网安备11010502039775号
