一个巨型水池捕捉到146公里外核电站的信号

核反应堆是电子反中微子的工厂。在燃料内部，裂变碎片发生β衰变：原子核中的一个中子变成一个质子、一个电子和一个反中微子。事实上，反应堆是人类探测到的第一个中微子源，那是在1956年的科温–莱因斯实验中。从那以后，反应堆一直帮助人们测量中微子如何振荡——即在飞行过程中改变类型。

超级神冈合作组——约250名来自日本、美国、欧洲、韩国、中国、加拿大等地的物理学家——如今报告说，他们的探测器也看到了这些反中微子。

为更大猎物建造的水池

超级神冈是一个5万吨级的水探测器，位于日本神冈矿山地下1000米处。其内层容积装有3.2万吨水，由11,129个光传感器监视，每个直径20英寸。一个快速带电粒子穿过水时会发出一道微弱的光锥，即切伦科夫光，据此可以重建粒子的位置、方向和能量。

然而，反应堆反中微子只携带几百万电子伏特的能量。在这一低能区间，一次孤立的闪光很容易淹没在天然放射性和宇宙射线产生的碎片之中。

加一点钆

诀窍在于一种“两拍”特征信号。当反中微子撞上水中的一个质子时，会产生一个正电子，立刻发出闪光，以及一个中子，中子四处游荡、逐渐减速，最终被某个原子核俘获。如果被氢俘获，中子会释放出一个2.2 MeV的γ射线，很难看到。如果被钆俘获，则会释放出一连串总能量约8 MeV的γ射线，很容易看到。

因此，2020年7月，13吨硫酸钆被溶入水中（质量分数0.011%）；2022年6月，又加入了27吨（0.033%）。现在约有一半、后来约有四分之三的中子被钆俘获，用时分别约为120微秒和60微秒。一个快速软件触发器能以接近100%的效率捕捉低至约2.5 MeV的电子。

聆听若狭湾

有几座核电站距离探测器约200公里，大多在日本，还有少量贡献来自韩国。最近的在运核电站位于若狭湾：美滨3号机组（146公里）、大饭3号和4号机组（179公里）以及高滨1至4号机组（191公里）。2020年至2023年间，其中许多机组在运行或重启。研究人员利用国际原子能机构的反应堆数据库，根据每座反应堆报告的负荷逐月计算了预期通量。

背景来自地球中微子——地球自身放射性产生的反中微子——来自偶然符合，以及宇宙线μ子留下的放射性碎片。为了测量背景，团队利用了一个幸运的窗口期：2020年11月和12月，若狭湾的主要反应堆处于停运或正在关停状态。这两个月的数据几乎是纯背景。

分析涵盖从2021年2月到2023年9月共411.52天的有效运行时间。一个机器学习分类器，加上对两次闪光之间时间间隔（小于80微秒）和距离（小于2米）的筛选条件，挑选出候选事例对。

跟着反应堆走的信号

每月的事例率追踪着反应堆的运行情况，并与包含振荡效应的预测相符。“不存在反应堆反中微子”的假设以约6个标准差的显著性被排除：这是超级神冈首次观测到反应堆反中微子。论文没有给出选出的事例总数。

团队从能谱中提取了两个振荡参数：sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155和Δm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV²。

中微子与反中微子并排比较

超级神冈还测量来自太阳的中微子，它们是物质而非反物质。比较二者，是在检验物理学的一种基本对称性，即CPT对称性。两者的数值在混合角上相差约1.1个标准差，在质量差上相差约2.2个标准差；总体而言，两组数据在1.9个标准差的水平上相容——没有出现统计上显著的差异迹象。合并后得到sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026)和Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV²。

这篇已投稿至《物理评论快报》（Physical Review Letters）的预印本存在一处不一致：相容性检验在正文中给出的是Δχ² = 7.25，在附录中则是7.64，两处都标为1.9个标准差。作者总结说，掺钆的水能把巨型切伦科夫水池变成一台可用于探测几百万电子伏特反中微子的探测器，在这一能量范围内具有开展未来测量的潜力。