让碳变氮：太阳中微子首次实现碳原子核转变，科学家在地下两千米捕获“幽灵粒子”蜕变

12 月 13 日消息，牛津大学主导的国际科研团队在 SNOLAB 地下实验室首次发现了太阳中微子相互作用的确凿证据，为长期预测但从未被直接记录的核反应提供了实验性证据，并为研究低能中微子相互作用开辟了新路径。相关成果已于 12 月 10 日发表于《物理评论快报》。

中微子是宇宙中最神秘的粒子之一，因其极少与物质发生相互作用也常被称为“幽灵粒子”，但实际上每分每秒都有数万亿中微子正穿过你的身体。它们产生于核反应过程，包括太阳核心的聚变反应。此前太阳中微子仅被观测到与少数几种靶材发生作用，而本次实验首次记录到了其在地下探测器内将碳-13 原子核转化为氮-13 原子核的过程。

此次研究由牛津大学牵头，利用位于加拿大安大略省萨德伯里、地下约两公里深处的 SNOLAB 实验室内的 SNO+ 探测器完成。该实验室建在运行中的矿井中，深埋地下的设计可有效屏蔽宇宙射线和环境辐射，从而捕捉极其微弱的中微子信号。

研究团队采用“延迟符合”探测技术：当高能中微子撞击碳-13 原子核时产生初始闪光，约 10 分钟后放射性氮-13 衰变产生二次闪光。这种独特的信号可有效区分真实中微子事件与背景噪声。

在 2022 年 5 月 4 日至 2023 年 6 月 29 日的 231 天观测期内，研究团队共记录到 5.6 个观测事件，与理论预测的 4.7 个事件在统计学上高度一致。该发现不仅证实了长期预测的核反应过程，更为研究中微子特性提供了新工具。

“捕捉这种相互作用是项非凡成就，”论文第一作者、牛津大学物理系博士生格列佛・米尔顿表示，“尽管碳同位素含量极低，但我们仍成功观测到了它与中微子的相互作用 —— 这些中微子诞生于太阳核心，穿越浩瀚宇宙并最终进入我们的探测器。”

共同作者史蒂文・比勒教授（牛津大学物理系）强调：“太阳中微子研究已有数十年历史，前一代 SNO 实验对太阳中微子的测量直接促成了 2015 年诺贝尔物理学奖。令人惊叹的是，如今我们对太阳中微子的认知已深入至此 —— 首次将其作为 ' 测试束 ' 来研究其他稀有原子反应！”

SNO+ 实验是上述诺贝尔奖项目 SNO 的升级版本，后者证实了中微子在从太阳到地球的传播过程中会在电子型、μ 缪子型和 τ 陶子型三种形态间振荡。

SNOLAB 科学家克里斯汀・克劳斯博士指出：“本研究利用液体闪烁体中天然存在的碳-13，测量了这种特定的稀有相互作用。据我们所知，这是迄今在碳-13 核上观测到的最低能量中微子相互作用，并为该核反应至氮-13 基态的截面提供了首个直接测量。”

附论文地址：
https://doi.org/10.1103/1frl-95gj