Reaktor-Antineutrinos erstmals experimentell in reinem Wasser nachgewiesen

Zum ersten Mal wurde reines Wasser verwendet, um niederenergetische Antineutrinos nachzuweisen, die von Kernreaktoren produziert werden. Die Arbeit wurde von der Internationalen geleistet SNO+ Zusammenarbeit und könnte zu sicheren und erschwinglichen neuen Möglichkeiten führen, Kernreaktoren aus der Ferne zu überwachen.

Der SNO+-Detektor befindet sich 2 km unter der Erde in der Nähe einer aktiven Mine in Sudbury, Kanada, und ist der Nachfolger des früheren Sudbury Neutrino Observatory (SNO). 2015 SNO-Direktor Art McDonald teilte den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der Neutrinooszillation durch das Experiment – ​​was darauf hindeutet, dass Neutrinos winzige Massen haben.

Neutrinos sind schwer zu entdecken, weil sie selten mit Materie wechselwirken. Aus diesem Grund sind Neutrino-Detektoren in der Regel sehr groß und befinden sich unter der Erde – wo die Hintergrundstrahlung geringer ist.

Im Herzen von SNO befand sich eine große Kugel aus ultrareinem schwerem Wasser, in der energiereiche Neutrinos von der Sonne sehr gelegentlich mit dem Wasser wechselwirkten. Dies erzeugt einen Strahlungsblitz, der detektiert werden kann.

Sorgfältige Messungen

SNO wird derzeit zu SNO+ aufgerüstet, dabei wurde zeitweilig hochreines Normalwasser als Nachweismedium verwendet. Dieser wurde 2018 durch einen Flüssigszintillator ersetzt, aber nicht bevor das Team eine Reihe sorgfältiger Messungen durchführen konnte. Und diese lieferten ein überraschendes Ergebnis.

„Wir fanden heraus, dass unser Detektor hervorragend funktionierte und dass es möglich sein könnte, Antineutrinos aus entfernten Kernreaktoren mit reinem Wasser nachzuweisen“, erklärt er Markus Chen. Er ist Direktor von SNO+ und arbeitet an der Queen's University in Kingston, Kanada. „Reaktor-Antineutrinos wurden in der Vergangenheit mit flüssigen Szintillatoren in schwerem Wasser nachgewiesen, aber die Verwendung von reinem Wasser, um sie nachzuweisen, insbesondere aus entfernten Reaktoren, wäre eine Premiere.“

Es war schwierig, Reaktor-Antineutrinos in reinem Wasser nachzuweisen, da die Teilchen niedrigere Energien als Sonnenneutrinos haben. Das bedeutet, dass die Detektionssignale viel schwächer sind – und daher leicht von Hintergrundrauschen überwältigt werden.

Unterer Hintergrund

Als Teil der Upgrades von SNO+ wurde der Detektor mit einem Stickstoff-Deckgassystem ausgestattet, das diese Hintergrundraten erheblich senkte. Dies ermöglichte es der SNO+-Kollaboration, einen alternativen Ansatz zum Nachweis von Reaktor-Antineutrinos zu erforschen.

Der Detektionsprozess beinhaltet ein Neutrino, das mit einem Proton wechselwirkt, was zur Erzeugung eines Positrons und eines Neutrons führt. Das Positron erzeugt ein sofortiges Signal, während das Neutron einige Zeit später von einem Wasserstoffkern absorbiert werden kann, um ein verzögertes Signal zu erzeugen.

„Was es SNO+ ermöglicht hat, diese Erkennung zu erreichen, sind ein sehr niedriger Hintergrund und eine hervorragende Lichtsammlung, die eine niedrige Energieerkennungsschwelle mit guter Effizienz ermöglichen“, erklärt Chen. „Letzteres – eine Folge der ersten beiden Merkmale – ermöglichte die Beobachtung von Antineutrinos, die in reinem Wasser wechselwirken.“

“Dutzende oder so Veranstaltung”

„Als Ergebnis konnten wir etwa ein Dutzend Ereignisse identifizieren, die Wechselwirkungen von Antineutrinos in reinem Wasser zugeschrieben werden konnten“, sagt Chen. „Das ist ein interessantes Ergebnis, weil die Reaktoren, die diese Antineutrinos produzierten, Hunderte von Kilometern entfernt waren.“ Die statistische Signifikanz des Antineutrino-Nachweises betrug 3.5σ, was unterhalb der Schwelle einer Entdeckung in der Teilchenphysik liegt (die bei 5σ liegt).

Reaktor-Antineutrinos erstmals experimentell in reinem Wasser nachgewiesen

Das Ergebnis könnte Auswirkungen auf die Entwicklung von Techniken zur Überwachung von Kernreaktoren haben. Jüngste Vorschläge haben vorgeschlagen, dass die Antineutrino-Nachweisschwellen gesenkt werden könnten, indem reines Wasser mit Elementen wie Chlor oder Gadolinium dotiert wird – aber jetzt zeigen die Ergebnisse von SNO+, dass diese kostspieligen, potenziell gefährlichen Materialien möglicherweise nicht erforderlich sind, um die gleiche Qualität der Ergebnisse zu erzielen.

Obwohl SNO+ diese Art von Messungen nicht mehr durchführen kann, hofft das Team, dass andere Gruppen bald neue Wege zur Überwachung von Kernreaktoren entwickeln könnten, indem sie sichere, kostengünstige und leicht erhältliche Materialien in Entfernungen verwenden, die den Reaktorbetrieb nicht stören.

Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/reactor-antineutrinos-detected-in-pure-water-in-an-experimental-first/