直接观测相干弹性反中微子-原子核散射：开启中微子物理新纪元

研究人员利用核反应堆作为中微子源，通过CONUS+实验首次在完全相干能区观测到低能反中微子与原子核的弹性散射（CEvNS）。该研究使用高纯锗探测器实现极低能量阈值（160 eV），在119天运行中检测到395±106个中微子事件（理论预测347±59），统计显著性达3.7σ。这一突破不仅验证了标准模型预测，还为超越标准模型（BSM）物理、核结构研究和反应堆监测应用开辟了新途径。

　　

中微子作为宇宙中最神秘的粒子之一，因其极弱的相互作用被称为"幽灵粒子"。传统中微子探测器需要吨级甚至千吨级的靶物质才能捕获足够信号，而1974年理论预测的相干弹性中微子-原子核散射（CEvNS）现象可将相互作用率提高数个数量级——这一过程类似于保龄球撞击整排球瓶时所有球瓶同步运动的宏观类比，其中中微子与原子核内所有核子发生相干作用，截面与中子数的平方成正比。尽管2017年COHERENT实验首次在散裂中子源（SNS）上观测到CEvNS，但核反应堆提供的更低能（<10 MeV）纯电子反中微子流对研究完全相干区现象和超越标准模型物理具有独特优势。

来自马克斯·普朗克核物理研究所（Max-Planck-Institut für Kernphysik）的研究团队在瑞士莱布施塔特核电站开展了CONUS+实验。他们创新性地采用4个总质量3.73 kg的高纯锗（HPGe）半导体探测器，将其置于10吨级屏蔽体内，距离反应堆堆芯仅20.7米。通过优化设计，探测器能量阈值降至160 eV_ee（电子等效能量），比前代CONUS实验提高近一个量级灵敏度。该研究成果以3.7σ显著性首次证实核反应堆CEvNS信号，相关论文发表于《Nature》。

关键技术方法

1. 低噪声HPGe探测器系统：采用锗晶体实现160-180 eV_ee能量阈值，通过²⁵²Cf源校准使能量标定误差<5 eV
2. 多层主动-被动屏蔽：含铅（γ屏蔽）、硼掺杂聚乙烯（中子吸收）和塑料闪烁体（μ子 veto）
3. 背景建模：基于GEANT4框架分解宇宙射线μ子/中子、环境放射性（如⁶⁸Ge/⁷¹Ge衰变）等贡献
4. 反应堆开-关对比：利用年度换料期获取本底数据，排除堆相关干扰

研究结果

实验配置与背景控制

屏蔽体系通过不锈钢框架抗震稳定，中子/γ本底降至21.6 counts day^-1kg^-1。探测器能量非线性效应在250 eV以下通过脉冲发生器扫描校正，确保信号重建精度。

中微子信号提取

在160-800 eV_ee能区通过剖面似然比分析，测得395±106个CEvNS事件（理论347±59），与Lindhard淬灭模型（k=0.162±0.004）预测一致，排除了其他淬灭增强模型的假设。

跨实验对比
与COHERENT的CsI（90%±15%）、Ar（122%±37%）和Ge（59%±21%）靶数据相比，CONUS+的Ge靶结果（114%±36%）验证了标准模型截面预测的普适性，为核形状因子研究提供基准。

结论与意义
该研究实现了三项里程碑式突破：（1）首次在核反应堆上观测到CEvNS，填补了<10 MeV能区实验空白；（2）证实Lindhard淬灭模型在亚keV能区的适用性，解决了此前争议；（3）建立反应堆CEvNS测量标准，为后续研究提供锚点。

从应用角度看，千克级HPGe探测器的小型化优势使其在反应堆监测、核安保领域具有潜力；从理论层面，精确CEvNS测量可探索弱混合角演化、惰性中微子、新媒介粒子等超越标准模型物理。正如作者指出，这项成果可能标志着"中微子物理学新时代的开端"——未来通过降低阈值、增加靶质量，CONUS+有望在BSM物理、太阳中微子研究和暗物质探测等领域产生更深远影响。