Reaktor antineutrinoer opdaget i rent vand i en eksperimentel første gang

Reaktor antineutrinoer opdaget i rent vand i en eksperimentel første gang

Tidsstempel: 28. marts 2023 kl. 12
Kildeknude: 2548736

SNO plus neutrino detektor
Reaktorreaktioner: SNO+-detektoren har set antineutrinoer fra fjerne reaktorer, når den var fyldt med rent vand. (Med høflighed: SNO+)

For første gang er rent vand blevet brugt til at detektere lavenergi-antineutrinoer produceret af atomreaktorer. Arbejdet blev udført af det internationale SNO+ samarbejde og kunne føre til sikre og overkommelige nye måder at overvåge atomreaktorer på på afstand.

Beliggende 2 km under jorden nær en aktiv mine i Sudbury, Canada, er SNO+ detektoren efterfølgeren til det tidligere Sudbury Neutrino Observatory (SNO). I 2015 SNOs direktør Kunst McDonald delte Nobelprisen i fysik for eksperimentets opdagelse af neutrinoscillation – hvilket tyder på, at neutrinoer har små masser.

Neutrinoer er svære at opdage, fordi de sjældent interagerer med stof. Dette er grunden til, at neutrino-detektorer har tendens til at være meget store og er placeret under jorden - hvor baggrundsstrålingen er lavere.

I hjertet af SNO var en stor kugle af ultrarent tungt vand, hvor energiske neutrinoer fra Solen meget lejlighedsvis ville interagere med vandet. Dette frembringer et glimt af stråling, der kan detekteres.

Omhyggelige målinger

SNO er ​​i øjeblikket ved at blive opgraderet til SNO+, og som en del af processen blev der midlertidigt brugt ultrarent normalt vand som detektionsmedium. Denne blev erstattet af en flydende scintillator i 2018, men ikke før holdet var i stand til at foretage en række omhyggelige målinger. Og disse gav et overraskende resultat.

"Vi fandt ud af, at vores detektor fungerede smukt, og at det måske er muligt at detektere antineutrinoer fra fjerne atomreaktorer ved hjælp af rent vand," forklarer Mark Chen. Han er SNO+-direktør og er baseret på Queen's University i Kingston, Canada. "Reaktor-antineutrinoer er tidligere blevet påvist ved hjælp af flydende scintillatorer i tungt vand, men at bruge kun rent vand til at detektere dem, især fra fjerne reaktorer, ville være den første."

Det havde været svært at påvise reaktor-antineutrinoer i rent vand, fordi partiklerne har lavere energier end solneutrinoer. Det betyder, at detekteringssignalerne er meget svagere – og derfor let overvældes af baggrundsstøj.

Nederste baggrund

Som en del af SNO+'s opgraderinger blev detektoren udstyret med et nitrogendækgassystem, hvilket sænkede disse baggrundsrater markant. Dette gjorde det muligt for SNO+-samarbejdet at udforske en alternativ tilgang til påvisning af reaktor-antineutrinoer.

Detektionsprocessen involverer en neutrino, der interagerer med en proton, hvilket resulterer i skabelsen af ​​en positron og en neutron. Positronen skaber et øjeblikkeligt signal, hvorimod neutronen kan absorberes engang senere af en brintkerne for at skabe et forsinket signal.

"Det, der gjorde SNO+ i stand til at opnå denne detektion, er meget lave baggrunde og fremragende lysindsamling, hvilket muliggør en lav energidetektionstærskel med god effektivitet," forklarer Chen. "Det er sidstnævnte - en konsekvens af de to første funktioner - der gjorde det muligt at observere antineutrinoer, der interagerer i rent vand."

“Et dusin eller deromkring begivenhed”

"Som et resultat var vi i stand til at identificere et dusin eller deromkring begivenheder, der kunne tilskrives interaktioner fra antineutrinoer i rent vand," siger Chen. "Det er et interessant resultat, fordi reaktorerne, der producerede disse antineutrinoer, var hundredvis af kilometer væk." Den statistiske signifikans af antineutrino-detektionen var 3.5σ, hvilket er under tærsklen for en opdagelse i partikelfysik (som er 5σ).

Resultatet kan få konsekvenser for udviklingen af ​​teknikker, der bruges til at overvåge atomreaktorer. Nylige forslag har foreslået, at antineutrino-detektionstærskler kunne sænkes ved at dope rent vand med elementer som klor eller gadolinium - men nu viser resultaterne fra SNO+, at disse dyre, potentielt farlige materialer måske ikke er nødvendige for at opnå samme kvalitet af resultater.

Selvom SNO+ ikke længere kan foretage denne type måling, håber holdet, at andre grupper snart kan udvikle nye måder at overvåge atomreaktorer ved hjælp af sikre, billige og let opnåelige materialer på afstande, der ikke vil forstyrre reaktordriften.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden