Цікавості

Нейтрино та антинейтрино часто називають «примарними частинками»: вони майже не мають маси, не несуть електричного заряду й надзвичайно рідко взаємодіють з речовиною. Попри це, саме ці невловимі частинки можуть стати інструментом для ненав’язливого контролю за ядерними реакторами. Як повідомляє SсіеnсеАlеrt, фізики вперше змогли виміряти слабкий потік електронних антинейтрино, що надходить від уже вимкнених реакторів.Команда з Інституту ядерної фізики Товариства Макса Планка (МРІК) та колаборації Dоublе Сhооz зафіксувала цей залишковий потік від «вигорілого» палива всередині двох реакторів у Франції, а також від відпрацьованого палива, розміщеного в басейнах охолодження. Раніше такий потік лише теоретично оцінювали, але ніколи не вимірювали безпосередньо.

Як ловлять «примарні» частинки

За словами фізика МРІК Антоні Оньйонна (Аnthоny Оnіllоn), попередні експерименти з реакторними антинейтрино зосереджувалися на працюючих реакторах, де потік частинок набагато більший. Виявити крихітний сигнал після зупинки реактора вдалося завдяки надзвичайно низькому фоновому шуму та складним методам аналізу, які колаборація Dоublе Сhооz розробляла багато років.Експеримент Dоublе Сhооz працював з 2011 по 2017 рік на АЕС Сhооz на півночі Франції. Два підземні детектори розташували на середніх відстанях близько 400 і 1050 метрів від двох реакторів станції. Метою було дослідження дивної властивості нейтрино й антинейтрино — осциляцій, тобто зміни їхнього «смаку» (типу) під час руху.Безпосередньо «побачити» антинейтрино неможливо, тож фізики реєструють лише рідкісні акти їхньої взаємодії з іншими частинками в чутливих детекторах. Фізик МРІК Тьєррі Лассерр (Тhіеrry Lаssеrrе) пояснює, що антинейтрино надзвичайно рідко взаємодіють з речовиною, але коли це все ж трапляється в детекторі Dоublе Сhооz, виникає характерний подвійний світловий сигнал, який можна відрізнити від фону.

Подвійний спалах як «двофакторна автентифікація»

У внутрішній камері детектора міститься рідкий сцинтилятор — речовина, що випромінює світло при проходженні заряджених частинок. Коли нейтрино або антинейтрино пролітає крізь детектор, воно іноді стикається з протоном у цій рідині. У результаті зіткнення утворюються нейтрон і позитрон — античастинка електрона.Позитрон майже миттєво анігілює з електроном, породжуючи перший спалах світла, який підсилює сцинтилятор. Нейтрон трохи пізніше захоплюється атомами гадолінію — рідкісноземельного металу, доданого до сцинтилятора, — що створює другий спалах. Така послідовність двох спалахів слугує своєрідною «двофакторною автентифікацією» події антинейтрино.Цей процес називається інверсним бета-розпадом (ІВD) і дуже часто відбувається в ядерних реакторах під час поділу урану та плутонію. Він є найбільшим джерелом штучно створених антинейтрино, а відстеження такого потоку може допомогти в оцінці безпеки реакторів і аналізі складу ядерного палива.

Що саме вдалося виміряти

У новій роботі дослідники виявили надлишок подій ІВD у діапазоні енергій, де очікується максимум залишкового сигналу від вимкнених реакторів. Під час 17,2 доби спостережень, коли обидва реакторні ядра Сhооz були повністю зупинені, команда зафіксувала 106 ± 18 подій, тоді як теоретичні розрахунки передбачали 88 ± 7 подій.Цей залишковий потік становить менше ніж 1% від сигналу, який реєструється під час нормальної роботи реактора. Попри це, дослідники відзначають «дуже хорошу відповідність» між виміряними та очікуваними значеннями, що підтверджує теоретичні оцінки залишкового випромінювання антинейтрино.

Перспективи для ядерних гарантій

Автори роботи наголошують, що точність методу ще можна суттєво поліпшити. Нині він чутливий до великих змін потоку, але навряд чи дозволив би, наприклад, виявити зникнення лише кількох збірок відпрацьованого палива.Водночас отриманий результат є важливим доказом принципової можливості прямого й ненав’язливого контролю за ядерними матеріалами за допомогою антинейтрино. У майбутньому подібні вимірювання можуть стати частиною стандартів ядерних гарантій і моніторингу. Дослідження опубліковане в журналі Рhysісаl Rеvіеw Lеttеrs.Стаття Фізики вперше зафіксували слабке сяйво вимкнених ядерних реакторів з'явилася спочатку на Цікавості.