Antyneutrina reaktora wykryte w czystej wodzie jako pierwsze eksperymentalne

Po raz pierwszy do wykrywania niskoenergetycznych antyneutrin wytwarzanych przez reaktory jądrowe użyto czystej wody. Praca została wykonana przez Międzynarodówkę Współpraca SNO+ i może prowadzić do bezpiecznych i przystępnych cenowo nowych sposobów zdalnego monitorowania reaktorów jądrowych.

Położony 2 km pod ziemią w pobliżu czynnej kopalni w Sudbury w Kanadzie detektor SNO+ jest następcą wcześniejszego Sudbury Neutrino Observatory (SNO). W 2015 dyrektor SNO Sztuka McDonald podzielił Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie w eksperymencie oscylacji neutrin – co sugeruje, że neutrina mają niewielką masę.

Neutrina są trudne do wykrycia, ponieważ rzadko wchodzą w interakcje z materią. Dlatego detektory neutrin są zwykle bardzo duże i znajdują się pod ziemią – tam, gdzie promieniowanie tła jest niższe.

W sercu SNO znajdowała się duża kula ultraczystej ciężkiej wody, w której energetyczne neutrina ze Słońca bardzo sporadycznie wchodziły w interakcje z wodą. Powoduje to wykrycie błysku promieniowania.

Ostrożne pomiary

SNO jest obecnie modernizowane jako SNO+, a jako część procesu ultraczysta normalna woda była tymczasowo używana jako medium wykrywające. Został on zastąpiony ciekłym scyntylatorem w 2018 r., ale nie wcześniej niż zespół był w stanie wykonać serię dokładnych pomiarów. A te dały zaskakujący wynik.

„Odkryliśmy, że nasz detektor działa doskonale i że możliwe jest wykrywanie antyneutrin z odległych reaktorów jądrowych przy użyciu czystej wody” — wyjaśnia Marek Chen. Jest dyrektorem SNO+ i pracuje na Queen's University w Kingston w Kanadzie. „Antyneutrina reaktorów były wykrywane w przeszłości za pomocą ciekłych scyntylatorów w ciężkiej wodzie, ale użycie czystej wody do ich wykrycia, zwłaszcza z odległych reaktorów, byłoby pierwszym podejściem”.

Trudno było wykryć antyneutrina reaktorowe w czystej wodzie, ponieważ cząstki mają niższe energie niż neutrina słoneczne. Oznacza to, że sygnały wykrywania są znacznie słabsze – i dlatego łatwo je przytłumić szumem tła.

Niższe tło

W ramach modernizacji SNO+ detektor został wyposażony w system gazu osłonowego z azotem, co znacznie obniżyło te szybkości tła. Umożliwiło to partnerom SNO+ zbadanie alternatywnego podejścia do wykrywania antyneutrin w reaktorach.

Proces wykrywania polega na interakcji neutrina z protonem, w wyniku czego powstaje pozyton i neutron. Pozyton wytwarza natychmiastowy sygnał, podczas gdy neutron może zostać pochłonięty później przez jądro wodoru, tworząc sygnał opóźniony.

„To, co umożliwiło SNO+ dokonanie tej detekcji, to bardzo niskie tło i doskonałe zbieranie światła, umożliwiające niski próg detekcji energii z dobrą wydajnością” — wyjaśnia Chen. „To właśnie ta ostatnia – będąca konsekwencją dwóch pierwszych cech – umożliwiła obserwację oddziaływań antyneutrin w czystej wodzie”.

“Kilkanaście wydarzeń”

„W rezultacie byliśmy w stanie zidentyfikować około tuzina zdarzeń, które można przypisać interakcjom antyneutrin w czystej wodzie” – mówi Chen. „To interesujący wynik, ponieważ reaktory, które wyprodukowały te antyneutrina, znajdowały się setki kilometrów stąd”. Istotność statystyczna detekcji antyneutrin wyniosła 3.5σ, czyli poniżej progu odkrycia w fizyce cząstek elementarnych (czyli 5σ).

Antyneutrina reaktora wykryte w czystej wodzie jako pierwsze eksperymentalne

Wynik może mieć implikacje dla rozwoju technik wykorzystywanych do monitorowania reaktorów jądrowych. Niedawne propozycje sugerowały, że progi wykrywalności antyneutrin można by obniżyć poprzez domieszkowanie czystej wody pierwiastkami takimi jak chlor lub gadolin – ale teraz wyniki z SNO+ pokazują, że te kosztowne, potencjalnie niebezpieczne materiały mogą nie być konieczne do osiągnięcia tej samej jakości wyników.

Chociaż SNO+ nie może już wykonywać tego typu pomiarów, zespół ma nadzieję, że inne grupy wkrótce opracują nowe sposoby monitorowania reaktorów jądrowych przy użyciu bezpiecznych, niedrogich i łatwo dostępnych materiałów, z odległości, które nie zakłócą pracy reaktora.

Badania opisano w Physical Review Letters.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/reactor-antineutrinos-detected-in-pure-water-in-an-experimental-first/