Детектор с чистой водой впервые зарегистрировал антинейтрино от далёкого ядерного реактора

Международная группа физиков впервые смогла зарегистрировать антинейтрино от удалённого ядерного реактора с помощью резервуара, заполненного исключительно сверхчистой водой. Частицы были обнаружены на расстоянии более 240 километров от атомной электростанции, что стало первым подобным достижением в истории и открыло перспективы создания более простых, безопасных и недорогих систем мониторинга ядерных реакторов.

Результаты исследования были опубликованы ещё в 2023 году, однако они продолжают привлекать внимание научного сообщества благодаря своему значению для физики элементарных частиц и технологий контроля ядерной энергетики.

Нейтрино считаются одними из самых многочисленных частиц во Вселенной, однако одновременно они являются и одними из самых загадочных. Эти частицы обладают крайне малой массой, не имеют электрического заряда и практически не взаимодействуют с веществом. Миллиарды нейтрино каждую секунду свободно проходят сквозь Землю, горные породы и человеческое тело, почти никогда не сталкиваясь с атомами. Именно поэтому их нередко называют «частицами-призраками».

Антинейтрино представляют собой античастицы нейтрино. В отличие от большинства других пар частица — античастица, различить их по электрическому заряду невозможно, поскольку нейтрино вообще не имеют заряда. Учёные определяют их по характеру процессов, сопровождающих их появление и взаимодействие с веществом.

Электронные антинейтрино образуются во время бета-распада — разновидности радиоактивного распада, при котором нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Если такое антинейтрино сталкивается с протоном, происходит процесс, известный как обратный бета-распад, в результате которого возникают позитрон и нейтрон.

Именно этот процесс и используется для регистрации антинейтрино. Обычно подобные эксперименты проводят в огромных резервуарах с жидкими сцинтилляторами, окружённых тысячами высокочувствительных фотоумножителей, способных фиксировать чрезвычайно слабое черенковское излучение — слабые вспышки света, возникающие при движении заряженных частиц через среду быстрее скорости распространения света в ней.

Антинейтрино в огромных количествах производятся ядерными реакторами, однако обладают сравнительно низкой энергией, из-за чего их обнаружение представляет серьёзную техническую задачу.

Эксперимент был проведён на установке SNO+, расположенной в лаборатории SNOLAB в канадской провинции Онтарио. Это самая глубокая подземная научная лаборатория в мире: она находится более чем в двух километрах под поверхностью Земли. Толща горных пород эффективно защищает детектор от космических лучей, позволяя регистрировать чрезвычайно слабые сигналы.

Сегодня сферический резервуар установки вместимостью 780 тонн заполнен жидким сцинтиллятором на основе линейного алкилбензола. Однако в 2018 году во время калибровки оборудования он был временно заполнен исключительно сверхчистой водой. Именно этот период впоследствии оказался чрезвычайно ценным для исследователей.

Проанализировав данные, собранные за 190 дней работы детектора, учёные обнаружили признаки обратного бета-распада. Возникающий при этом нейтрон захватывался ядром водорода в воде, сопровождаясь испусканием слабой вспышки света с характерной энергией 2,2 мегаэлектронвольта.

Обычно водные детекторы испытывают трудности при регистрации сигналов с энергией ниже 3 мегаэлектронвольт, однако SNO+ смог обнаруживать события с энергией до 1,4 мегаэлектронвольта. Это обеспечило эффективность регистрации сигналов на уровне около 50 процентов для событий с энергией 2,2 мегаэлектронвольта, что сделало возможным поиск антинейтрино.

Статистический анализ показал, что зарегистрированный сигнал с вероятностью 99,7 процента действительно был вызван антинейтрино. Такой уровень достоверности соответствует статистической значимости 3 сигма.

По мнению исследователей, полученные результаты свидетельствуют о том, что в будущем даже обычная вода сможет использоваться для дистанционного контроля работы ядерных реакторов.

Как отметил физик Логан Лебановски из Калифорнийского университета в Беркли и коллаборации SNO+, исследователей особенно впечатлило, что сверхчистая вода оказалась способна регистрировать антинейтрино от реактора, расположенного на столь большом расстоянии. По его словам, команде пришлось приложить значительные усилия, чтобы извлечь всего несколько достоверных сигналов из данных почти за полгода наблюдений, однако результат полностью оправдал ожидания.

После завершения этапа калибровки установка SNO+ перешла к работе с жидким сцинтиллятором и продолжила получать новые данные о поведении нейтрино. В декабре 2025 года международная группа под руководством специалистов Оксфордского университета с помощью этого же детектора впервые зарегистрировала процесс превращения атомов углерода-13 в азот-13 под действием солнечных нейтрино, что стало одним из самых низкоэнергетических взаимодействий нейтрино, когда-либо наблюдавшихся экспериментально.

Несмотря на значительный прогресс, нейтрино остаются одними из самых малоизученных фундаментальных частиц. Одним из главных открытых вопросов современной физики остаётся выяснение того, являются ли нейтрино и антинейтрино одной и той же частицей. Ответ на него может дать обнаружение чрезвычайно редкого типа радиоактивного распада, который до сих пор ни разу не наблюдался. Поиск этого процесса продолжается с использованием детектора SNO+.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.