Даже после остановки ядерного реактора внутри него продолжаются процессы, практически незаметные для окружающего мира. Физики впервые экспериментально измерили чрезвычайно слабый поток антинейтрино, возникающий после прекращения работы реактора. Эти частицы иногда называют частицами-призраками: они почти не взаимодействуют с веществом и способны беспрепятственно проходить через огромные толщи материи.
Открытие сделала международная коллаборация Double Chooz при участии ученых Института ядерной физики Общества Макса Планка. Исследователи проанализировали данные французской атомной электростанции Chooz и обнаружили остаточный поток электронных антинейтрино от отработавшего ядерного топлива. Ранее существование такого сигнала предсказывали теоретически, однако непосредственно измерить его не удавалось.
Во время работы реактора происходит деление ядер урана и плутония, сопровождающееся образованием огромного количества нестабильных продуктов. Их радиоактивные превращения создают поток антинейтрино. После остановки цепная реакция прекращается, но многие продукты деления продолжают распадаться, поэтому своеобразное антинейтринное послесвечение сохраняется.
Обнаружить его чрезвычайно трудно. Нейтрино и антинейтрино не имеют электрического заряда, обладают чрезвычайно малой массой и настолько слабо взаимодействуют с веществом, что подавляющее большинство этих частиц проходит сквозь детектор, Землю и человеческое тело без каких-либо последствий. Именно поэтому физикам требуются массивные установки и тщательная защита от посторонних сигналов.
Эксперимент Double Chooz работал во Франции с 2011 по 2017 год. Два подземных детектора находились примерно в 400 и 1050 метрах от двух реакторов атомной станции. Первоначально установка создавалась прежде всего для изучения осцилляций нейтрино — необычного квантового явления, при котором частицы способны менять свой тип во время движения.
Само антинейтрино непосредственно увидеть невозможно. Детектор регистрирует последствия крайне редкого столкновения частицы с протоном в специальном жидком сцинтилляторе. При таком взаимодействии образуются позитрон и нейтрон. Позитрон быстро встречается с электроном и аннигилирует, вызывая первую световую вспышку.
Затем нейтрон захватывается атомами гадолиния, добавленного в сцинтиллятор, и возникает второй световой сигнал. Характерная последовательность двух событий позволяет исследователям отличить взаимодействие антинейтрино от значительной части фоновых процессов. Такой механизм регистрации известен как обратный бета-распад.
Для нового анализа ученые выбрали редкий период продолжительностью 17,2 дня, когда оба реактора Chooz одновременно были остановлены. Именно это позволило искать слабый остаточный сигнал без мощного потока антинейтрино, который возникает при нормальной работе реакторов.
Исследователи зарегистрировали 106 событий с неопределенностью около 18 событий. Расчеты предсказывали приблизительно 88 событий с неопределенностью около семи. Таким образом, экспериментальный результат хорошо согласовался с теоретическими ожиданиями и подтвердил существование измеримого потока антинейтрино после остановки реакторов.
Масштаб сигнала показывает сложность эксперимента. Остаточный поток составляет менее одного процента от сигнала, регистрируемого при работающем реакторе. Чтобы обнаружить его среди фоновых событий, потребовались годы совершенствования методов обработки данных и чрезвычайно точное понимание поведения детекторов.
Источник антинейтрино при этом не ограничивается топливом, остающимся непосредственно внутри реактора. После эксплуатации отработавшие топливные сборки извлекают и помещают в специальные бассейны выдержки. Радиоактивные изотопы продолжают распадаться, а значит, такое топливо также остается источником антинейтрино.
Именно это свойство делает открытие интересным далеко за пределами фундаментальной физики. Антинейтрино практически невозможно экранировать обычными средствами, поэтому их можно использовать как своеобразный информационный канал изнутри ядерного объекта. Детектору не требуется проникать непосредственно в реактор, чтобы получать сведения о происходящих там процессах.
В перспективе подобные технологии могут дополнить существующие методы контроля атомных объектов и ядерных материалов. Изменение интенсивности и энергетического спектра антинейтрино потенциально содержит информацию о состоянии реактора и составе топлива. Особенно привлекательна возможность проводить измерения непрерывно и не вмешиваться в технологический процесс.
Однако до практической системы дистанционного контроля еще далеко. Сигнал остановленного реактора чрезвычайно слаб, а существующая технология пока недостаточно чувствительна, чтобы надежно обнаруживать небольшие изменения количества отработавшего топлива. Например, исчезновение нескольких отдельных топливных сборок может остаться за пределами возможностей такого детектора.
Тем не менее эксперимент имеет важное принципиальное значение. Физики доказали, что остановленный реактор действительно можно наблюдать по его антинейтринному следу. Частицы, которые почти не замечают существования окружающей материи, неожиданно становятся инструментом для получения информации из мест, куда невозможно заглянуть обычным способом.
- Понравилось: 12
- Похожие материалы: Атомная точность: учёные раскрыли внутреннюю архитектуру платиновых катализаторов с помощью ядерного магнитного резонанса | Как ядерные отходы могут превратиться в топливо для термоядерного будущего | Призраки порядка в эпицентре ядерного хаоса: как Большой адронный коллайдер подтвердил незыблемость квантовых законов | Улучшение термоядерного синтеза: простое решение сложной задачи | Ученые впервые зарегистрировали антинейтрино от остановленного ядерного реактора | Ученые обнаружили неизвестный кристалл, образовавшийся после ядерного взрыва «Тринити»
А затем «Добавить на главный экран». 