XENONnT 原本是為尋找 WIMP（弱相互作用大質量粒子）暗物質而設計，但用來捕捉暗物質的超低背景與高靈敏度，也使它成為研究太陽中微子的強大工具。

XENON 合作團隊在義大利國家核物理研究院 Gran Sasso 國家實驗室舉行的研討會上宣布，XENONnT 首次觀測到低能量太陽中微子在液態氙中與電子散射的訊號，將直接觀測中微子的能量門檻推進至約 17 keV，創下目前所報告的最低紀錄。訊號主要由太陽的 pp 中微子構成。22

中微子如何留下痕跡？

中微子幾乎不與物質互動，因此要直接捕捉它們並不容易。當太陽中微子偶爾與液態氙中的電子發生彈性散射時，電子會獲得一小部分能量並產生反沖。這個過程會留下兩種可測量的訊號：

• 液態氙立即產生的閃爍光；
• 電離電子被抽取至氣相後產生的第二道電致發光訊號。

將兩種訊號合併，研究人員便能重建事件的能量與三維位置。實驗不必找出某一個可以被單獨確認的「中微子撞擊」，而是分析大量電子反沖事件的整體能譜，再與放射性及儀器背景的預測進行統計比對。

需要注意的是，約 17 keV 指的是這次測量可觸及的中微子能量範圍，並不是每個中微子都會把完整的 17 keV 能量直接交給電子。現有公告將成果描述為低能量太陽中微子的首次觀測，且訊號主要由 pp 中微子主導。22

pp 中微子為何是了解太陽的關鍵？

pp 中微子在太陽質子—質子鏈的第一步反應中產生：

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

這個反應啟動了氫逐步轉換為氦的核融合過程。由於質子—質子鏈是太陽能量的主要來源，pp 中微子可被視為太陽核心核融合反應的直接信使。

光從太陽核心傳到表面需要經過極長時間，而中微子幾乎一生成便能離開產生它們的區域。因此，測量 pp 中微子能提供一個更直接、更接近即時的方式，檢驗究竟是什麼反應在支撐太陽發光。22

5.9 噸液態氙如何看見如此微弱的訊號？

XENONnT 的核心是雙相時間投影室，內含 5.9 噸具感測作用的液態氙。較大的靶材質量提高了罕見互動發生的機率，而同時測量閃爍光與電離訊號，則可提供事件能量、位置及反沖類型等資訊。5

真正棘手的問題，是中微子訊號極其微弱，且可能與其他低能量事件混在一起。氡及其衰變產物會產生類似的電子反沖，因而成為重要背景來源。

為降低這類干擾，XENONnT 採用了線上低溫蒸餾系統，持續從氙中移除氡。探測器有效靶區內的 (^{222}\mathrm{Rn}) 活度已降至約 (0.90\ \mu\mathrm{Bq/kg})，使氡造成的背景達到與太陽中微子不可避免背景相當的程度。1819

探測器位於 Gran Sasso 山下的深層地下實驗室，也能有效壓低宇宙射線造成的事件。當背景降到足夠低時，研究人員便可透過整體能譜擬合尋找中微子訊號，而不必讓它淹沒在數量更多的雜訊中。22

與 2024 年硼-8 中微子結果有何不同？

這次低能量成果使用的互動通道，與 XENONnT 在 2024 年公布的結果不同。

2024 年的分析尋找的是 (^{8}\mathrm{B}) 太陽中微子透過相干彈性中微子—原子核散射（CEνNS）產生的核反沖。換句話說，中微子撞擊的是氙原子核，而不是電子。當時結果對「只有背景」假設的排斥度為 2.73σ，屬於指示而非 5σ 發現。23

新成果則觀察中微子—電子散射，因此主要接觸到能量更低、數量更多的 pp 中微子。兩種分析分別捕捉到不同的事件特徵：

• 電子反沖：中微子與電子散射，這次低能量 pp 中微子結果便屬於此類；
• 核反沖：中微子透過 CEνNS 與氙原子核散射，對應 2024 年的硼-8 中微子指示。

這說明同一部液態氙探測器，已能從不同反沖通道讀取太陽中微子能譜的不同部分。

「中微子霧」為何會限制暗物質搜尋？

對暗物質實驗而言，太陽中微子既是重要科學訊號，也是難以避免的背景。中微子能穿透一般屏蔽材料，而它們在探測器中造成的反沖，可能與 WIMP 暗物質留下的事件相似。

這種無法靠加厚屏蔽完全消除的背景，常被稱為「中微子霧」。它並非一道絕對、無法跨越的硬性界線：研究人員仍可利用事件能譜、不同靶材、方向性資訊，以及更精確的太陽中微子通量模型，在統計上區分暗物質與中微子訊號。

但隨著探測器靈敏度提升，這種區分會越來越困難，系統性不確定度也會變得更加重要。XENONnT 先前對硼-8 中微子 CEνNS 的指示，正是暗物質探測器開始直接面對這種核反沖背景的早期例子。12

XLZD 將把視野推得更遠

下一代 XLZD 液態氙觀測站的設計，預計採用約 60 噸的有效液態氙靶材，並有機會擴增至 80 噸。這相當於比 XENONnT 多出約一個數量級的有效氙質量，將同時提升 WIMP 搜尋與中微子測量的曝光量。3235

更大的靶材不只是帶來更多事件，也可能讓研究人員更精確地測量 pp 中微子的通量與能譜，並研究電子中微子從太陽前往地球途中存活的機率。另一方面，XLZD 也將探索 WIMP 訊號逐漸接近「中微子霧」的區域。3239

XENONnT 所展示的核心意義是：暗物質搜尋與太陽中微子天文學，已不再是兩條互不相干的研究路線。為了捕捉罕見 WIMP 事件而打造的極高純度、低噪音探測器，同樣能讓科學家讀出太陽核心核融合留下的微弱粒子訊息。

XENONnT 原本是為尋找 WIMP（弱相互作用大質量粒子）暗物質而設計，但用來捕捉暗物質的超低背景與高靈敏度，也使它成為研究太陽中微子的強大工具。

XENON 合作團隊在義大利國家核物理研究院 Gran Sasso 國家實驗室舉行的研討會上宣布，XENONnT 首次觀測到低能量太陽中微子在液態氙中與電子散射的訊號，將直接觀測中微子的能量門檻推進至約 17 keV，創下目前所報告的最低紀錄。訊號主要由太陽的 pp 中微子構成。22

中微子如何留下痕跡？

中微子幾乎不與物質互動，因此要直接捕捉它們並不容易。當太陽中微子偶爾與液態氙中的電子發生彈性散射時，電子會獲得一小部分能量並產生反沖。這個過程會留下兩種可測量的訊號：

• 液態氙立即產生的閃爍光；
• 電離電子被抽取至氣相後產生的第二道電致發光訊號。

將兩種訊號合併，研究人員便能重建事件的能量與三維位置。實驗不必找出某一個可以被單獨確認的「中微子撞擊」，而是分析大量電子反沖事件的整體能譜，再與放射性及儀器背景的預測進行統計比對。

需要注意的是，約 17 keV 指的是這次測量可觸及的中微子能量範圍，並不是每個中微子都會把完整的 17 keV 能量直接交給電子。現有公告將成果描述為低能量太陽中微子的首次觀測，且訊號主要由 pp 中微子主導。22

pp 中微子為何是了解太陽的關鍵？

pp 中微子在太陽質子—質子鏈的第一步反應中產生：

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

這個反應啟動了氫逐步轉換為氦的核融合過程。由於質子—質子鏈是太陽能量的主要來源，pp 中微子可被視為太陽核心核融合反應的直接信使。

光從太陽核心傳到表面需要經過極長時間，而中微子幾乎一生成便能離開產生它們的區域。因此，測量 pp 中微子能提供一個更直接、更接近即時的方式，檢驗究竟是什麼反應在支撐太陽發光。22

5.9 噸液態氙如何看見如此微弱的訊號？

XENONnT 的核心是雙相時間投影室，內含 5.9 噸具感測作用的液態氙。較大的靶材質量提高了罕見互動發生的機率，而同時測量閃爍光與電離訊號，則可提供事件能量、位置及反沖類型等資訊。5

真正棘手的問題，是中微子訊號極其微弱，且可能與其他低能量事件混在一起。氡及其衰變產物會產生類似的電子反沖，因而成為重要背景來源。

為降低這類干擾，XENONnT 採用了線上低溫蒸餾系統，持續從氙中移除氡。探測器有效靶區內的 (^{222}\mathrm{Rn}) 活度已降至約 (0.90\ \mu\mathrm{Bq/kg})，使氡造成的背景達到與太陽中微子不可避免背景相當的程度。1819

探測器位於 Gran Sasso 山下的深層地下實驗室，也能有效壓低宇宙射線造成的事件。當背景降到足夠低時，研究人員便可透過整體能譜擬合尋找中微子訊號，而不必讓它淹沒在數量更多的雜訊中。22

與 2024 年硼-8 中微子結果有何不同？

這次低能量成果使用的互動通道，與 XENONnT 在 2024 年公布的結果不同。

2024 年的分析尋找的是 (^{8}\mathrm{B}) 太陽中微子透過相干彈性中微子—原子核散射（CEνNS）產生的核反沖。換句話說，中微子撞擊的是氙原子核，而不是電子。當時結果對「只有背景」假設的排斥度為 2.73σ，屬於指示而非 5σ 發現。23

新成果則觀察中微子—電子散射，因此主要接觸到能量更低、數量更多的 pp 中微子。兩種分析分別捕捉到不同的事件特徵：

• 電子反沖：中微子與電子散射，這次低能量 pp 中微子結果便屬於此類；
• 核反沖：中微子透過 CEνNS 與氙原子核散射，對應 2024 年的硼-8 中微子指示。

這說明同一部液態氙探測器，已能從不同反沖通道讀取太陽中微子能譜的不同部分。

「中微子霧」為何會限制暗物質搜尋？

對暗物質實驗而言，太陽中微子既是重要科學訊號，也是難以避免的背景。中微子能穿透一般屏蔽材料，而它們在探測器中造成的反沖，可能與 WIMP 暗物質留下的事件相似。

這種無法靠加厚屏蔽完全消除的背景，常被稱為「中微子霧」。它並非一道絕對、無法跨越的硬性界線：研究人員仍可利用事件能譜、不同靶材、方向性資訊，以及更精確的太陽中微子通量模型，在統計上區分暗物質與中微子訊號。

但隨著探測器靈敏度提升，這種區分會越來越困難，系統性不確定度也會變得更加重要。XENONnT 先前對硼-8 中微子 CEνNS 的指示，正是暗物質探測器開始直接面對這種核反沖背景的早期例子。12

XLZD 將把視野推得更遠

下一代 XLZD 液態氙觀測站的設計，預計採用約 60 噸的有效液態氙靶材，並有機會擴增至 80 噸。這相當於比 XENONnT 多出約一個數量級的有效氙質量，將同時提升 WIMP 搜尋與中微子測量的曝光量。3235

更大的靶材不只是帶來更多事件，也可能讓研究人員更精確地測量 pp 中微子的通量與能譜，並研究電子中微子從太陽前往地球途中存活的機率。另一方面，XLZD 也將探索 WIMP 訊號逐漸接近「中微子霧」的區域。3239

XENONnT 所展示的核心意義是：暗物質搜尋與太陽中微子天文學，已不再是兩條互不相干的研究路線。為了捕捉罕見 WIMP 事件而打造的極高純度、低噪音探測器，同樣能讓科學家讀出太陽核心核融合留下的微弱粒子訊息。