RW Space

Резервуар с чистейшей водой, погребенный под километровыми камнями в Онтарио, Канада, вспыхнул, когда едва заметные частицы пронзили его молекулы.

Это событие стало первым случаем, когда вода использовалась для обнаружения частицы, известной как антинейтрино, которая была выпущена из ядерного реактора на расстоянии более 240 километров (150 миль).

Прорыв, подробно описанный в Physical Review Letters в 2023 году, был первым случаем, когда вода одна только она была использована для обнаружения антинейтрино из далекого реактора – и это открыло дверь новому поколению более дешевых и безопасных технологий обнаружения.

Как одни из самых распространенных частиц во Вселенной, нейтрино – это странные маленькие вещи с большим потенциалом для более глубокого понимания Вселенной.

К сожалению, они почти не имеют массы, не несут заряда и почти не взаимодействуют с другими частицами. В основном они движутся сквозь пространство и скалы, как если бы вся материя была бестелесной.

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 испускаются 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.

Большие резервуары, наполненные жидкостью, облицованные Для обнаружения этого конкретного вида распада используются фотоумножительные трубки.

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.

Входите в SNO+. 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. Но еще в 2018 году, когда установка проходила калибровку, она была заполнена сверхчистой водой – и это временное состояние оказалось ценным с научной точки зрения.

Изучая данные за 190 дней, собранные на этапе калибровки еще в 2018 году, коллаборация SNO+ обнаружила доказательства обратного бета-распада.

Нейтрон, образующийся в этом процессе, захватывается ядром водорода в воде, что, в свою очередь, производит мягкое свечение света при очень высокой температуре. удельный уровень энергии — 2,2 мегаэлектронвольта.

Детекторы воды 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 энергией 2,2 мегаэлектронвольта, поэтому команда посчитала, что поиск признаков обратного бета-распада стоил их удачи.

Анализ потенциального сигнала показал, что он, вероятно, был произведен антинейтрино, с уровнем достоверности 3 сигма — вероятность 99,7 процента.

Результат показал, что однажды простую воду можно будет использовать для мониторинга мощности ядерных реакторов расстояние.

«Нас интригует, что чистую воду можно использовать для измерения антинейтрино из реакторов и на таких больших расстояниях», — объяснил физик Логан Лебановски из коллаборации SNO+ и Калифорнийского университета в Беркли в 2023 году, когда были обнародованы результаты.

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

Поскольку затем SNO+, который сейчас работает на стадии сцинтиллятора, провел некоторые из наиболее точных измерений того, как нейтрино ведут себя во время путешествия.

В декабре 2025 года команда под руководством Оксфордского университета использовала тот же детектор для наблюдения за солнечными нейтрино, превращающими атомы углерода-13 в азот-13 глубоко под землей, отслеживая две парные вспышки света, разделенные несколькими минутами, что подтверждает одно из самых низкоэнергетических нейтринных взаимодействий за всю историю.

«Насколько нам известно, эти результаты представляют собой наблюдения с самой низкой энергией взаимодействия нейтрино на ядрах углерода-13 на сегодняшний день», — сказала исследователь SNOLAB Кристин Краус.

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+ все еще ищет этот распад.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.