Исторический прорыв: немецкие ученые поймали частицу-призрак спустя 50 лет поисков
На протяжении десятилетий физики пытались зафиксировать нейтрино — элементарные частицы с почти нулевой массой, которые беспрепятственно проходят сквозь материю, включая Землю. Теперь это удалось: при помощи компактного устройства, сравнимого по размеру с ланч-боксом, ученые сумели зарегистрировать взаимодействие этих трудноуловимых частиц внутри ядерного реактора.
Нейтрино — одни из наиболее труднодоступных объектов наблюдения в физике частиц. Каждую секунду через каждый квадратный сантиметр нашей планеты проходят около 60 миллиардов солнечных нейтрино. Поскольку они крайне слабо взаимодействуют с веществом, их движение почти невозможно зафиксировать обычными методами.
Хотя теоретически существование нейтрино было предложено десятки лет назад, доказать их присутствие на практике оказалось чрезвычайно сложно. В большинстве случаев для этого необходимы огромные и чувствительные установки.
Однако ученым из Института ядерной физики Общества Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге удалось совершить значительный шаг вперед. Используя детектор массой всего три килограмма в рамках проекта CONUS+, исследователи зарегистрировали антинейтрино, создаваемые в реакторе.
Проект CONUS изначально располагался на территории немецкой АЭС «Брокдорф», но в 2023 году был перенесен на швейцарскую станцию «Лайбштадт» (KKL). Новое местоположение, усовершенствованные германиевые полупроводниковые детекторы по 1 кг каждый и благоприятные условия для измерений позволили впервые зафиксировать явление, известное как когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах (CEvNS).
При CEvNS нейтрино взаимодействует не с отдельными нуклонами, а с ядром целиком, увеличивая вероятность слабо выраженного, но регистрируемого отдачи ядра. Для иллюстрации: представьте шарик для пинг-понга, отскакивающий от неподвижной машины — движение минимально, но при желании его можно заметить. В эксперименте CONUS+ ядра германия выступают в роли этих «машин», фиксируя эффект отдачи от нейтрино низких энергий, генерируемых в реакторе.
Эффект CEvNS был предсказан в 1974 году, а впервые экспериментально подтвержден лишь в 2017 году в рамках проекта COHERENT. Теперь же CONUS+ стал первым, кто смог наблюдать это явление в режиме полной когерентности при значительно меньших энергиях в реакторной среде. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
Детектор CONUS+ расположен всего в 20,7 метра от активной зоны реактора (см. рисунок 1), где плотность потока нейтрино превышает 10 триллионов частиц на квадратный сантиметр в секунду. В ходе наблюдений, продолжавшихся 119 дней с осени 2023 по лето 2024 года, исследователям удалось выделить 395±106 избыточных событий, соответствующих нейтринным взаимодействиям после исключения фоновых сигналов (см. рисунок 2). Эти данные хорошо согласуются с теоретическими моделями, учитывая статистическую погрешность.
«Таким образом, мы успешно подтвердили чувствительность эксперимента CONUS+ и его способность обнаруживать рассеяние антинейтрино на атомных ядрах», — поясняет доктор Кристиан Бак, один из авторов исследования.
Он также отметил возможное прикладное применение: «…появляется перспектива разработки компактных мобильных детекторов нейтрино для мониторинга тепловыделения реактора или оценки концентраций изотопов».
Измерения CEvNS дают уникальное представление о механизмах, лежащих в основе Стандартной модели — теории, описывающей поведение элементарных частиц и взаимодействий. По сравнению с другими методами, данные, собранные CONUS+, обладают меньшей зависимостью от нюансов ядерной физики, что делает их особенно ценными для поиска сигналов новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели.
«Техники и методы, используемые в CONUS+, обладают отличным потенциалом для фундаментальных новых открытий, — подчеркивает профессор Линднер, инициатор проекта и соавтор статьи. — Таким образом, революционные результаты CONUS+ могут стать отправной точкой для нового направления в исследовании нейтрино».
