中微子和反中微子是许多核反应中产生的几乎无质量的粒子，包括地球核电站中的铀裂变和太阳核心的聚变反应。
但它们极难被发现——大多数都不停地穿过地球——这使得研究恒星核心或恒星爆炸中发生的核反应或监测核电站非法生产炸弹材料变得困难。
一种新型中微子探测器目前正在加州大学伯克利分校的一个大型地下实验室进行测试，旨在利用最新技术来提高反中微子探测器的灵敏度和能力。这种改进的探测器不仅有助于检测、定位和表征违反联邦或国际法规而使用的未申报的特殊核材料，而且还有助于科学家探索粒子的基础物理及其在原子核深处的相互作用。
加州大学伯克利分校物理学副教授、Eos合作项目负责人加布里埃尔·奥雷比·江恩(GabrielOrebiGann)表示，该装置被称为Eos，代表黎明泰坦女神，标志着“中微子探测技术新时代的黎明”。
原型探测器可以远程(即大于约100米的距离)探测和表征核活动和材料。虽然核材料的放射性可以免受检测，但裂变反应中产生的反中微子却不能。由于反应堆每纳秒产生数十亿个中微子，Eos应该能够检测到足够的反中微子，以识别炸弹级材料的秘密生产。
“中微子探测的想法是你无法欺骗它，你无法屏蔽它，你无法伪造它。中微子几乎以光速传播，因此即使在远处，它们也能提供近乎瞬时的探测。他们提供了核活动的独特特征，”劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的教授科学家奥雷比·江恩(OrebiGann)说。
“如果你距离很远或者信号非常弱，那么你需要一个大探测器。对于一个大探测器，你需要液体。”
Eos是一个高10米、宽5米的圆柱体，充满水和有机闪烁体，周围装有比当今物理实验中使用的灵敏度高三倍的光探测器。Eos改进的灵敏度和更高的分辨率来自于结合当今检测中微子的两种最佳技术：闪烁和切伦科夫发射。
这些改进可能会改变未来中微子物理项目的游戏规则，例如目前正在南达科他州利德市一座废弃金矿建造的深层地下中微子实验(DUNE)，用于检测费米国家实验室粒子加速器发射的中微子，500英里外的伊利诺伊州。加州大学伯克利分校和伯克利实验室是DUNE合作的成员。
“我们最终想要建造的是一个更大的探测器，名为Theia，”她说。“忒伊亚是光明泰坦女神，也是万神殿中厄俄斯的母亲。忒伊亚的理想位置是在南达科他州的那个矿井里，可以看到来自费米实验室的中微子。”
Theia是否会取代DUNE计划中的四个液氩“远”探测器之一还有待观察，Theia将使用一个足够大的储罐，几乎吞下自由女神像。
OrebiGann认为，像Theia这样的混合探测器在为研究DUNE主要目标的高能中微子束提供相当的灵敏度的同时，还将增加氩探测器之外的新功能，包括探测反中微子的能力。Theia还将通过中微子爆发对超新星位置具有2度的指向精度，并且有能力搜索低能太阳中微子和马约拉纳中微子。
混合中微子探测器
Eos的独特之处在于它是两种主要类型的液体中微子探测器的混合体，这两种探测器都以液体罐开始。
一种技术基于闪烁体(在本例中为直链烷基苯)，该闪烁体响应与中微子或反中微子相互作用过程中产生的带电粒子而发光。
中微子和反中微子还可以与其他材料(例如水)相互作用，产生电子，然后电子发出自己的光，尽管比闪烁光微弱得多。后者被称为切伦科夫辐射，当电子以超过液体中光速的速度穿过液体时就会发射，类似于飞机以超过音速飞行时产生的音爆的声能。
在这两种技术中，称为光电倍增管的敏感光探测器排列在水箱周围，以记录微弱光的强度。闪烁的强度提供了有关中微子或反中微子能量的信息。
然而，切伦科夫辐射是在圆锥体中发射的，因此它可以提供有关中微子来源方向的信息，这是研究核反应堆源以及宇宙中微子源的关键信息。
“光电倍增管对单光子级的光很敏感，”奥雷比·江恩说。“但是液体闪烁体可以提供更多的光：如果你有一个能量相同的电子，根据闪烁体的不同，你将获得比切伦科夫发射多50倍的光。这意味着你可以获得更高的精确度，具体取决于闪烁体。了解能量沉积在哪里以及有多少能量。”
“我们说，好吧，我们不想挑三拣四。我们不喜欢妥协。我们两者都想要。这就是我们的目标。我们想要切伦科夫光的拓扑结构，但需要闪烁的分辨率，”她说。
问题在于闪烁发出的光太亮，以至于压倒了切伦科夫光。
幸运的是，切伦科夫光以皮秒爆发的形式发出，而闪烁光则持续纳秒。
“如果你有非常快的光子探测器，你可以利用时间差来帮助分离这两个特征，”她说。Eos将用日本滨松公司制造的242个光电倍增管包围液箱，这些光电倍增管的速度是现有光电倍增管的三倍。
切伦科夫光的可见光区域的色谱比闪烁光更红，闪烁光大部分是蓝色。该团队利用这一点，在前排光电倍增管周围放置了一个“二向色”滤光片，该滤光片将红色切伦科夫光反射到光电倍增管中，但让蓝色闪烁光穿过后面的光电倍增管。
“你基本上是按波长对光子进行分类，并根据波长将它们引导到不同的光子探测器，”她说。
OrebiGann和她的团队于9月份开始组装Eos，但由于运载第一个钢罐的卡车与立交桥相撞而被毁，该组装被推迟了六周。这些储罐太大了，研究人员不得不在一个大型地下室实验室中进行实验，该实验室以前是一个核反应堆，由加州大学伯克利分校核工程系运营。
他们用光电倍增管包围了丙烯酸树脂罐，然后将整个组件提升到圆柱形钢罐中。然后将内部丙烯酸槽以及丙烯酸槽和钢槽之间的间隙充满纯水，将光电倍增管浸没在间隙中。
一旦团队测试了Eos检测来自人造放射源和天然宇宙μ子的切伦科夫光的能力，他们将逐渐添加闪烁体材料来测试实验区分两种类型光发射的能力。
“我们还设计了探测器，以便我们可以部署纯液体闪烁体，”奥雷比·江恩说。“这将是最终的测试：即使在最大闪烁分量下，我们是否仍然可以看到切伦科夫签名。”
计划要求探索Eos监控小型模块化反应堆和核动力海船以及检查试验场透明度的能力。
OrebiGann也渴望在一般中微子物理研究中采用Eos设计，例如测量来自太阳核心的中微子通量，以验证预测的为其提供动力的核反应;研究中微子的陆地来源;绘制银河系及其他地区的弥漫超新星中微子背景图;以及正在进行的无中微子双β衰变研究，这将表明中微子是它自己的反粒子。
所有这些问题都已经通过闪烁体探测器或切伦科夫探测器进行了探索，但奥雷比·江恩希望混合探测器能够加快进展。
“与每个探测器过去所做的相同的物理学，我们可以做得更好，”她说。“这就是目标。这是下一代的研发。”