Reaktor antineutrinos upptäckt i rent vatten i en experimentell första

För första gången har rent vatten använts för att upptäcka lågenergi-antineutriner som produceras av kärnreaktorer. Arbetet utfördes av internationellt SNO+ samarbete och kan leda till säkra och överkomliga nya sätt att övervaka kärnreaktorer på avstånd.

SNO+-detektorn ligger 2 km under jorden nära en aktiv gruva i Sudbury, Kanada, och är efterföljaren till det tidigare Sudbury Neutrino Observatory (SNO). 2015, SNO:s direktör Konst McDonald delade Nobelpriset i fysik för experimentets upptäckt av neutrinoscillation – vilket tyder på att neutriner har små massor.

Neutriner är svåra att upptäcka eftersom de sällan interagerar med materia. Det är därför neutrinodetektorer tenderar att vara mycket stora och är placerade under jord – där bakgrundsstrålningen är lägre.

I hjärtat av SNO fanns en stor sfär av ultrarent tungt vatten där energiska neutriner från solen ibland interagerar med vattnet. Detta producerar en blixt av strålning som kan detekteras.

Noggranna mätningar

SNO håller för närvarande på att uppgraderas till SNO+, och som en del av processen användes tillfälligt ultrarent normalt vatten som detektionsmedium. Denna ersattes av en vätskescintillator 2018, men inte innan teamet kunde göra en serie noggranna mätningar. Och dessa gav ett överraskande resultat.

"Vi fann att vår detektor fungerade vackert och att det kan vara möjligt att upptäcka antineutrinos från avlägsna kärnreaktorer med rent vatten," förklarar Mark Chen. Han är SNO+-direktör och är baserad på Queen's University i Kingston, Kanada. "Reaktor-antineutriner har upptäckts med flytande scintillatorer i tungt vatten tidigare, men att bara använda rent vatten för att detektera dem, särskilt från avlägsna reaktorer, skulle vara en första."

Det hade varit svårt att upptäcka reaktorantineutriner i rent vatten eftersom partiklarna har lägre energi än solneutriner. Det betyder att detekteringssignalerna är mycket svagare – och därför lätt överväldigas av bakgrundsljud.

Nedre bakgrund

Som en del av SNO+:s uppgraderingar var detektorn försedd med ett kvävgassystem, vilket avsevärt sänkte dessa bakgrundshastigheter. Detta gjorde det möjligt för SNO+-samarbetet att utforska ett alternativt tillvägagångssätt för att upptäcka reaktor-antineutriner.

Detekteringsprocessen involverar en neutrino som interagerar med en proton, vilket resulterar i skapandet av en positron och en neutron. Positronen skapar en omedelbar signal medan neutronen kan absorberas någon gång senare av en vätekärna för att skapa en fördröjd signal.

"Det som gjorde det möjligt för SNO+ att åstadkomma denna detektering är mycket låga bakgrunder och utmärkt ljusinsamling, vilket möjliggör en tröskel för detektering av låg energi med god effektivitet," förklarar Chen. "Det är det senare - en konsekvens av de två första funktionerna - som möjliggjorde observation av antineutrinos som interagerar i rent vatten."

“Ett dussintal händelse”

"Som ett resultat kunde vi identifiera ett dussintal händelser som kunde tillskrivas interaktioner från antineutrinos i rent vatten", säger Chen. "Det är ett intressant resultat eftersom reaktorerna som producerade dessa antineutrinos var hundratals kilometer bort." Den statistiska signifikansen av antineutrino-detektionen var 3.5σ, vilket är under tröskeln för en upptäckt inom partikelfysik (vilket är 5σ).

Reaktor antineutrinos upptäckt i rent vatten i en experimentell första

Resultatet kan få konsekvenser för utvecklingen av tekniker som används för att övervaka kärnreaktorer. Nya förslag har föreslagit att antineutrino-detektionströsklar kan sänkas genom att dopa rent vatten med element som klor eller gadolinium – men nu visar resultaten från SNO+ att dessa kostsamma, potentiellt farliga material kanske inte är nödvändiga för att uppnå samma kvalitet på resultaten.

Även om SNO+ inte längre kan göra den här typen av mätningar, hoppas teamet att andra grupper snart kan utveckla nya sätt att övervaka kärnreaktorer med hjälp av säkra, billiga och lättillgängliga material, på avstånd som inte kommer att störa reaktordriften.

Forskningen beskrivs i Fysiska granskningsbrev.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/reactor-antineutrinos-detected-in-pure-water-in-an-experimental-first/