海水里的盐捕捉“幽灵粒子”

IceCube和KM3NeT等巨型中微子望远镜，把天然的冰或海水变成了探测器：数立方公里的透明介质，由成千上万个光传感器监视着。它们已经捕捉到来自深空、能量极高的中微子。但在较低的能量下，即几百万电子伏特（MeV）的范围内，它们的传感器彼此相距太远，无法发现单个中微子相互作用。它们只能察觉到计数率的整体上升。

这很可惜，因为MeV中微子携带着宝贵的信息。一颗邻近的坍缩恒星——即核心坍缩超新星——会直接从其核心释放出约10⁵⁸个这样的中微子。另一些被称为地球中微子，可以探测地球内部；来自核反应堆的中微子则可用于精确测量和远程监测。

分两拍到来的信号

电子反中微子是通过一种叫作反β衰变的反应被捕捉的：反中微子撞击一个质子，产生一个正电子（电子的反物质孪生兄弟）和一个中子。正电子立即发出一道闪光。中子则游荡一段时间，然后被一个原子核俘获，原子核发出第二道闪光。两道闪光在时间和位置上都很接近：这是一种背景噪声很少能模仿的特征信号。

在纯水中，中子大约在200微秒后被氢俘获，发出一条能量只有2.2 MeV的伽马射线。超级神冈（Super-Kamiokande）或SNO+这类密集的探测器能看到它。而在传感器稀疏的海洋望远镜中，它被淹没在宇宙线缪子、传感器噪声和天然放射性——尤其是溶解在海水中的钾-40——所造成的噪声里，几乎看不见。

氯来救场

上海交通大学的Ruike Cao、伊万·莫顿-布莱克（Iwan Morton-Blake）、Donglian Xu及其同事指出，海水本身已经含有解决办法。氯-35只占海水中原子核的约0.25%，但它俘获慢中子的能力是氢的约130倍（43.6靶恩对0.333靶恩——靶恩是物理学家用来衡量原子核俘获一个粒子的概率的单位）。而且它的俘获会释放出总能量约8.6 MeV的一连串伽马射线——能量是氢俘获的四倍，因此可供探测的光子也多得多。

俘获也更快：在海水中约为130微秒，而在纯水中约为200微秒。等待时间更短，意味着时间窗口更窄，偶然符合也更少。

看得远一倍

团队在TRIDENT中模拟了这一想法。TRIDENT是计划建在南海的下一代中微子望远镜，将用约1,000串传感器模块覆盖约10立方公里的海水。每个模块装有31个小型光传感器，因此可以要求其中多个同时触发。他们的模拟纳入了在该站点测得的钾-40活度，以及仍能抵达约3公里深处的缪子。

四道筛选条件挑出反中微子：有多少个传感器被点亮、两道闪光之间的延迟（小于0.3毫秒）、光的方向，以及当相邻模块看到经过的缪子时予以否决。

收益很大。对于一颗27倍太阳质量的基准恒星，仅凭第一道闪光，TRIDENT能以5西格玛的显著性（物理学家宣布发现的门槛：纯属偶然的概率不到百万分之一）探测到约50千秒差距（1千秒差距约合3260光年）以内的坍缩。加上用氯标记的中子，这一距离就扩展到100千秒差距以上——翻了一番。若采用另一种超新星模型（30倍太阳质量），探测视界则从约60千秒差距扩大到125千秒差距。

左：在海水中（蓝色），中子俘获比在纯水中（橙色）来得更快、更明显。右：标记中子（红色）让TRIDENT的超新星探测视界远远超出仅靠第一道闪光信号（深蓝色）所能达到的范围。——图2，Cao 等（2026），arXiv:2610.30754。

在山下检验

为了检验原理，团队把一个TRIDENT模块放入中国锦屏地下实验室的一个0.5吨水箱中，上方2.4公里厚的岩石挡住了大部分宇宙线缪子。距离30厘米处的一个镅-铍源产生了与反中微子相同的两拍模式：先是一条伽马射线，然后是一个中子。

他们分别试验了纯水、加盐至海水浓度的水，以及额外加入氯化钾以模拟海洋放射性的盐水。在盐水中，出现了快速第二道闪光的超出，显著性高于3.4西格玛（低于宣布发现所需的5西格玛门槛，但远超偶然），俘获时间为0.14 ± 0.04毫秒——与海水一致。移走放射源后，什么也没有。加入钾之后，超出变弱，约为2西格玛。

左：锦屏的测试装置。右：放射源置于盐水中时（黑色），短延迟的超出与模拟的中子俘获（虚线）相吻合。——图3，Cao 等（2026），arXiv:2610.30754。

遍布探测器的海洋

作者认为，同样的技巧也适用于其他采用多传感器模块的海水望远镜，例如KM3NeT和P-ONE。由于盐本来就在那里，他们还设想在海中分散布置反中微子探测器，每台各有其目标：爆发的恒星、核反应堆或地球内部。他们写道，海洋天然的盐度由此成了一项资产，而不是背景。这些结果建立在对一台仍处于规划中的望远镜的模拟，外加一次水箱测试的基础之上。