如何看见“看不见”的粒子方向？——PROSPECT-I与反应堆中微子的方向测量

为什么我们难以知晓中微子的入射方向？

中微子（neutrino）是宇宙中最神秘的粒子之一。它们不带电、质量极小，与物质几乎不发生相互作用，因此被称为“幽灵粒子”。正因如此，想要“看见”中微子本身就是一项挑战，更不用说确定它们从哪个方向来到地球了。

在过去的几十年中，像日本的KamLAND、意大利的Borexino这样的实验，通过探测中微子与液体闪烁体（liquid scintillator, LS）发生反应后留下的“踪迹”，成功揭示了太阳中微子和反应堆中微子的存在与振荡现象，也成功捕获了来自地球内部的地球中微子，并且有希望探测到来自遥远宇宙的超新星爆炸产生的中微子。这些发现极大推动了我们对中微子性质的理解。然而，绝大多数液体闪烁体探测器只能告诉我们中微子有来过，却很难告诉我们它们来自哪里。

为什么？问题出在反应产物的“模糊性”上。

如果使用普通的液体闪烁体来探测中微子，反中微子通过逆β衰变（IBD）产生的中子在被俘获前会经历热化过程，并在介质中发生多次散射与扩散。尽管中子的平均位移仅约为1.6 cm，由于这些过程带来的偏移，其位置分布的扩展范围可达约6 cm。这种显著的散射与扩散效应会严重削弱中子所携带的中微子入射方向信息，几乎无法恢复。

为尽可能保留中微子的入射角度信息，许多实验尝试在液体闪烁体中掺杂如钆（Gd）或锂（Li）等金属元素，以优化中子的俘获过程。例如，法国的Double Chooz实验采用Gd掺杂的液体闪烁体（Gd-LS），在探测反应堆中微子的过程中实现了约6度的角度分辨率（Caden, 2012）。

而在美国由橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）主导进行的PROSPECT实验则采用了Li-6掺杂的液体闪烁体（Li-LS）。相较于中子被钆或氢俘获时释放的高能伽马射线，Li-6通过$\mathrm{\bar{\nu}_e + ^6 Li \rightarrow ^3 H + \alpha}$反应产生的反应产物（氚核和α粒子）的空间分布范围显著更小（Tanaka & Watanabe, 2014）。这种局部化的能量沉积有助于提高事例的位置分辨率，从而在一定程度上改善对中微子事件顶点和可能方向信息的重建能力。

2024年，PROSPECT实验组在ArXiv上发布了论文，宣布他们利用数万个反应堆中微子事件，成功重建了中微子源的位置方向，实现了对“看不见”的中微子的方向性探测。

论文信息：Andriamirado, M., et al. (PROSPECT Collaboration) (2024). Reactor antineutrino directionality measurement with the PROSPECT-I detector. arXiv preprint. arXiv:2406.08359.

PROSPECT是什么？

PROSPECT的全名为Precision Reactor Oscillation and Spectrum Experiment，即一项短基线反应堆反中微子实验。其首阶段探测器PROSPECT-I被部署在高通量同位素反应堆（HFIR）附近，基线范围为7至9米，旨在探测eV质量尺度的惰性中微子振荡现象，并对反应堆反中微子能谱进行高精度测量。

PROSPECT-I探测器的最外侧为一个矩形的丙烯酸壳体，尺寸为2.0 m×1.6 m×1.2 m，其内部灌有约4吨Li-LS。探测器内部通过高反射率的薄膜面板，分隔为一个由154个矩形单元组成的三维阵列，排列为x方向 14 个、y方向11个单元。这些探测单元尺寸为14.6 cm×14.6 cm×117.6 cm，长轴沿z方向分布。每个单元的两端均配备有直径为12.7 cm的光电倍增管（PMT），从而实现对闪烁光信号的高效探测与位置重建。

PROSPECT是如何实现对中微子进行方向测量的？

PROSPECT采用了掺杂0.082 wt% Li-6的液体闪烁体（Li-LS）与高度分区化的模块设计，不仅有效抑制了表面背景噪声，还实现了目前地面中微子探测实验中最高的信号与背景比（signal-to-background ratio）。其测量结果不仅对标准模型的精确检验具有重要意义，也可加深人们对反应堆内部核过程的理解。

在本论文中，实验团队利用了2018年3月至10月观测结果进行了研究。他们指出，PROSPECT-I实验在数据采集期间面临的一个主要挑战是探测器中光电倍增管（PMT）工作数量的波动。由于Li-LS渗入了部分PMT的壳体，引发了电压分压器电流不稳定的问题，导致部分PMT在整个观测期间无法正常工作。这种情况对数据的均匀性与重建精度带来了一定影响，需要在数据处理与分析阶段加以校正。

在上述观测期间内，经过一系列信号筛选，最终他们采用了61029个IBD事件对中微子入射角度进行了分析。为了避免因探测器中部分损坏的矩形单元影响测量结果，团队设计了一种新的分析方法。举个例子，如下图所示，如果中微子是沿着蓝色箭头方向进入探测器，并且在中间的矩形单元发生了IBD反应，正常情况下后续信号会出现在这个单元和它周围的几个邻近单元里。但如果中间单元的上方和左侧的邻近单元损坏了，那么测得的方向就会偏向右下方，和真实的入射方向差了90度。

针对此问题，他们采用了一种新的筛选方法。只有当相邻的两个单元都正常工作时，才对事件进行分析。这样一来，就能有效避免因探测器损坏导致的方向误差，提高测量的准确性。

最终，他们成功复现了反应堆的方位角和天顶角，误差分别为2.4°（统计误差）+1.9°（系统误差）和1.5°（统计误差）+0.5°（系统误差）。该椭圆张开的立体角与半顶角为 2.9° 的圆锥所对应的立体角相同。从上述误差可以看出，当前统计误差仍然占据着主要地位。因此，如果增加观测时间，误差可以得到进一步改善。

不过，文章也提到，这些结果仅仅显示了PROSPECT成功对某个中微子点源进行了方位角和天顶角的测量，而非求出了对所有中微子事件都有效的角度分辨率。即便如此，如果将相同的技术拓展至千吨级的大型中微子探测器，或许可以对除了反应堆中微子外的反中微子（如超新星中微子、地球中微子等）进行来源方位的确定。

参考文献

• Caden, E. (2012). Studying neutrino directionality with Double Chooz. arXiv preprint. arXiv:1208.3628.
• Tanaka, H. K. M., & Watanabe, H. (2014). 6Li-loaded directionally sensitive anti-neutrino detector for possible geo-neutrinographic imaging applications. Scientific reports, 4(1), 4708.
• Andriamirado, M., et al. (PROSPECT Collaboration) (2024). Reactor antineutrino directionality measurement with the PROSPECT-I detector. arXiv preprint. arXiv:2406.08359.