Призрачное свечение атомной электростанции было обнаружено в чистой воде на расстоянии 150 миль

Еще в 2018 году резервуар с чистейшей водой, погребенный под километрами камней в Онтарио, Канада, вспыхнул, когда едва заметные частицы пронзили его молекулы.

Это был первый случай, когда вода была используется для обнаружения частицы, известной как антинейтрино, которая возникла из ядерного реактора на расстоянии более 240 километров (150 миль). Этот невероятный прорыв обещает эксперименты с нейтрино и технологию мониторинга, в которой будут использоваться недорогие, легкодоступные и безопасные материалы.

Как одни из самых распространенных частиц во Вселенной, нейтрино представляют собой странные маленькие вещи с большим потенциалом для обнаружения более глубоких представления о Вселенной. К сожалению, они почти безмассовы, не несут заряда и почти не взаимодействуют с другими частицами. В основном они струятся сквозь пространство и скалы, как будто вся материя бестелесна. Есть причина, по которой их называют частицами-призраками.

Антинейтрино — это античастичный аналог нейтрино. Обычно античастица имеет заряд, противоположный заряду эквивалентной частицы; античастицей отрицательно заряженного электрона, например, является положительно заряженный позитрон. Поскольку нейтрино не несут заряда, ученые могут отличить их друг от друга только на основании того факта, что электронное нейтрино возникает рядом с позитроном, а электронное антинейтрино появляется вместе с электроном.

Электронные антинейтрино – это испускаемый во время ядерного бета-распада, типа радиоактивного распада, при котором нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Один из этих электронных антинейтрино может затем взаимодействовать с протоном с образованием позитрона и нейтрона — реакция, известная как обратный бета-распад.

Для обнаружения этого конкретного вида используются большие заполненные жидкостью резервуары с фотоумножительными трубками. распада. Они предназначены для улавливания слабого свечения черенковского излучения, создаваемого заряженными частицами, движущимися быстрее, чем свет может проходить через жидкость, подобно звуковому удару, возникающему при преодолении звукового барьера. Поэтому они очень чувствительны к очень слабому свету.

Антинейтрино производятся в огромных количествах ядерными реакторами, но они имеют относительно низкую энергию, что затрудняет их обнаружение.

Введите СНО+. Это самая глубокая подземная лаборатория в мире, погребенная под скалой на глубине более 2 километров (1,24 мили). Эта каменная защита обеспечивает эффективный барьер против помех космических лучей, позволяя ученым получать сигналы с исключительно высоким разрешением.

Сегодня сферический резервуар лаборатории весом 780 тонн заполнен линейным алкилбензолом, жидким сцинтиллятором, усиливающим свет. Еще в 2018 году, когда установка проходила калибровку, она была заполнена сверхчистой водой.

Изучая данные за 190 дней, собранные на этапе калибровки еще в 2018 году, коллаборация SNO+ обнаружила доказательства обратного процесса. бета-распад. Нейтрон, образующийся во время этого процесса, захватывается ядром водорода в воде, которое, в свою очередь, производит мягкое свечение света на очень специфическом энергетическом уровне, 2,2 мегаэлектронвольта.

Водные черенковские детекторы обычно с трудом обнаруживают сигналы. ниже 3 мегаэлектронвольт; но наполненный водой SNO+ смог обнаружить напряжение до 1,4 мегаэлектронвольта. Это дает эффективность около 50 процентов для обнаружения сигналов с напряжением 2,2 мегаэлектронвольта, поэтому команда посчитала, что поиск признаков обратного бета-распада стоил их удачи.

Анализ потенциального сигнала показал, что это вполне вероятно. произведенное антинейтрино, с уровнем достоверности 3 сигмы – вероятность 99,7 процента.

Результат предполагает, что детекторы воды можно использовать для мониторинга производства электроэнергии в ядерных реакторах.

Тем временем SNO+ используется для лучшего понимания нейтрино и антинейтрино. Поскольку нейтрино невозможно измерить напрямую, мы мало что о них знаем. Один из самых больших вопросов заключается в том, являются ли нейтрино и антинейтрино одной и той же частицей. Ответом на этот вопрос мог бы стать редкий, никогда ранее не наблюдавшийся распад. SNO+ в настоящее время ищет этот распад.

«Нас интригует, что чистую воду можно использовать для измерения антинейтрино из реакторов и на таких больших расстояниях», — сказал физик Логан Лебановски из коллаборации SNO+ и Калифорнийского университета. , Беркли, в марте 2023 года.

«Мы приложили значительные усилия, чтобы извлечь несколько сигналов из данных за 190 дней. Результат порадовал».

Результат исследования опубликован. в Physical Review Letters.

Версия этой статьи была впервые опубликована в апреле 2023 года. р>