Reaktor antinøytrinoer oppdaget i rent vann i en eksperimentell første

For første gang har rent vann blitt brukt til å oppdage lavenergi-antinøytrinoer produsert av atomreaktorer. Arbeidet ble utført av det internasjonale SNO+ samarbeid og kan føre til sikre og rimelige nye måter å overvåke atomreaktorer på på avstand.

SNO+-detektoren ligger 2 km under jorden nær en aktiv gruve i Sudbury, Canada, og er etterfølgeren til det tidligere Sudbury Neutrino Observatory (SNO). I 2015, SNOs direktør Kunst McDonald delte Nobelprisen i fysikk for eksperimentets oppdagelse av nøytrinoscillasjon – noe som tyder på at nøytrinoer har små masser.

Nøytrinoer er vanskelige å oppdage fordi de sjelden samhandler med materie. Dette er grunnen til at nøytrino-detektorer har en tendens til å være veldig store og er plassert under jorden – der bakgrunnsstrålingen er lavere.

I hjertet av SNO var en stor sfære med ultrarent tungtvann der energiske nøytrinoer fra Solen av og til ville samhandle med vannet. Dette produserer et glimt av stråling som kan oppdages.

Nøye målinger

SNO blir for tiden oppgradert til SNO+, og som en del av prosessen ble ultrarent normalt vann midlertidig brukt som deteksjonsmedium. Denne ble erstattet av en væskescintillator i 2018, men ikke før teamet var i stand til å gjøre en rekke nøye målinger. Og disse ga et overraskende resultat.

"Vi fant ut at detektoren vår presterte vakkert, og at det kan være mulig å oppdage antinøytrinoer fra fjerne atomreaktorer ved å bruke rent vann," forklarer Mark Chen. Han er SNO+-direktør og har base ved Queen's University i Kingston, Canada. "Reaktor-antinøytrinoer har blitt oppdaget ved bruk av flytende scintillatorer i tungt vann tidligere, men å bruke bare rent vann for å oppdage dem, spesielt fra fjerne reaktorer, ville være den første."

Det hadde vært vanskelig å oppdage reaktor-antinøytrinoer i rent vann fordi partiklene har lavere energi enn solnøytrinoer. Dette betyr at deteksjonssignalene er mye svakere – og derfor lett overveldes av bakgrunnsstøy.

Nedre bakgrunn

Som en del av SNO+ sine oppgraderinger ble detektoren utstyrt med et nitrogendekselgasssystem, som reduserte disse bakgrunnsratene betydelig. Dette gjorde det mulig for SNO+-samarbeidet å utforske en alternativ tilnærming til å oppdage reaktor-antinøytrinoer.

Deteksjonsprosessen involverer et nøytrino som samhandler med et proton, noe som resulterer i dannelsen av et positron og et nøytron. Positronet skaper et umiddelbart signal, mens nøytronet kan absorberes en gang senere av en hydrogenkjerne for å skape et forsinket signal.

"Det som gjorde SNO+ i stand til å oppnå denne deteksjonen er svært lave bakgrunner og utmerket lysinnsamling, noe som muliggjør en lavenergideteksjonsterskel med god effektivitet," forklarer Chen. "Det er sistnevnte - en konsekvens av de to første funksjonene - som muliggjorde observasjon av antinøytrinoer som samhandlet i rent vann."

“Dusin eller så arrangement”

"Som et resultat var vi i stand til å identifisere et dusin eller så hendelser som kunne tilskrives interaksjoner fra antinøytrinoer i rent vann," sier Chen. "Det er et interessant resultat fordi reaktorene som produserte disse antinøytrinoene var hundrevis av kilometer unna." Den statistiske signifikansen av antineutrino-deteksjonen var 3.5σ, som er under terskelen for en oppdagelse i partikkelfysikk (som er 5σ).

Reaktor antinøytrinoer oppdaget i rent vann i en eksperimentell første

Resultatet kan ha implikasjoner for utviklingen av teknikker som brukes til å overvåke atomreaktorer. Nylige forslag har antydet at antineutrino-deteksjonsterskler kan senkes ved å dope rent vann med elementer som klor eller gadolinium – men nå viser resultatene fra SNO+ at disse kostbare, potensielt farlige materialene kanskje ikke er nødvendige for å oppnå samme kvalitet på resultatene.

Selv om SNO+ ikke lenger kan gjøre denne typen måling, håper teamet at andre grupper snart kan utvikle nye måter å overvåke atomreaktorer ved å bruke trygge, rimelige og lett tilgjengelige materialer, på avstander som ikke vil forstyrre reaktordriften.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/reactor-antineutrinos-detected-in-pure-water-in-an-experimental-first/