Нейтрино антивещества обнаружены на расстоянии 240 км от ядерного реактора
Нейтрино - одна из самых распространенных частиц во Вселенной, и поэтому ее свойства, которые интригуют ученых, дают возможность заглянуть в микроскопическую структуру космоса. Но поскольку нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, их чрезвычайно трудно обнаружить. Недавно для обнаружения антинейтрино от ядерных реакций на расстоянии сотен километров был использован детектор на водной основе. Этот тип устройства может быть использован в более широком масштабе для мониторинга отдаленной ядерной деятельности и обнаружения потенциальных объектов, участвующих в производстве ядерного оружия.
Нейтрино - это так называемая фундаментальная частица, что означает, что она, как и электроны, не состоит из более мелких элементов. Но в то время как электроны имеют отрицательный заряд, нейтрино не имеют заряда. Они являются самыми легкими из всех субатомных частиц, обладающих массой. Нейтрино в основном возникают в результате реакций в ядрах звезд и часто являются продуктом превращения тяжелых частиц в более легкие - этот процесс называется распадом.
Более того, нейтрино являются самыми распространенными частицами во Вселенной. Около 100 миллиардов нейтрино проходят через наши тела каждую секунду, не взаимодействуя ни с одной из составляющих нас частиц. Поскольку они почти не взаимодействуют с веществом, их чрезвычайно трудно обнаружить. Сочетание этого призрачного присутствия и важной роли, которую нейтрино играют во Вселенной, завораживает физиков.
Спустя почти 100 лет после их теоретического предсказания и почти 70 лет после их обнаружения некоторые свойства частиц остаются неизвестными, включая их массу и то, являются ли они своими античастицами, антинейтрино, которые также проходят сквозь материю, не взаимодействуя с ней большую часть времени.
Недавно группа исследователей под названием SNO+ сделала неожиданное открытие во время подготовки специального детектора для обнаружения чрезвычайно редкого ядерного распада, не испускающего нейтрино, называемого безнейтринным двойным бета-распадом, который может определить, является ли нейтрино своей античастицей или нет. Ученые зафиксировали сигнал нейтрино от ядерного реактора, находящегося в 240 км от них, с помощью нейтринного детектора, заполненного водой, что стало первым случаем использования такого устройства. Их работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Детектор SNO+ представляет собой жидкостный сцинтилляторный детектор для изучения нейтрино. Эксперимент расположен на глубине 2 км под землей, куда не может проникнуть большинство частиц, в шахте Creighton компании Vale недалеко от Садбери (Онтарио, Канада).
Сердцем детектора SNO+ является акриловая сфера диаметром 12 м, заполненная 800 тоннами жидкого сцинтиллятора, плавающего в водяной ванне. Этот объем контролируется почти 10 000 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), которые являются высокочувствительными детекторами света. Для удержания акрилового контейнера, плавающего вместе со сцинтиллятором, была добавлена веревочная сеть.
С практической точки зрения, жидкий сцинтиллятор - это жидкость органической природы, которая излучает свет, когда через нее проходят заряженные частицы. SNO+ обнаруживает нейтрино, поскольку они взаимодействуют с электронами и ядрами в детекторе, создавая заряженные частицы, которые, в свою очередь, излучают свет, проходя через сцинтиллятор.
Как упоминалось ранее, антинейтрино взаимодействуют с веществом только при определенных условиях. В противном случае они просто проходят сквозь нее. Однако чистая вода в сфере имеет подходящие условия для взаимодействия антинейтрино - а именно, особенно большое количество протонов, с которыми они могут столкнуться.
Беспрецедентное обнаружение антинейтрино и возможное обнаружение ядерной активности
Материя состоит из протонов, электронов и нейтронов, каждый из которых имеет массу и заряд (положительный, отрицательный или нейтральный). Частица антиматерии имеет ту же массу, что и противоположная ей частица, но противоположный заряд. Фактически, электрон имеет отрицательный электрический заряд, а позитрон (антиэлектрон) - положительный.
При столкновении нейтрино и протона образуются позитрон и нейтрон. Позитроны движутся очень быстро, создавая след из голубого света. Нейтрон соединяется с ядром соседнего атома и претерпевает процесс, который заключается в испускании гамма-лучей.
На основании результатов предыдущих экспериментов с антинейтрино исследователи знают, что синий свет предшествует гамма-излучению примерно на 200 микросекунд, что является уникальной закономерностью для определения присутствия антинейтрино в воде.
Для достижения этого конкретного обнаружения, как сообщается в статье New Scientist, команда собирала данные в течение 190 дней и определила, что антинейтрино попадало в детектор 14 раз. Не существует прямого способа определить происхождение каждого антинейтрино, но данные совпали с тем, что было произведено тремя ближайшими канадскими реакторами, включая один, расположенный в 240 километрах.
В частности, обнаруженные антинейтрино обладали энергией, ожидаемой только для частиц, созданных в реакторе, а не для тех, которые исходят изнутри Солнца или ядра Земли. В будущем подобный подход может быть использован для обнаружения процессов, связанных с созданием ядерного оружия.