Впервые в мире обнаружено свечение воды от антинейтрино. При этом АЭС была в 240 км

В Онтарио, Канада в резервуаре с чистой водой, который находится под километрами горных пород, произошло яркое свечение. Это событие стало первым случаем, когда удалось использовать воду для обнаружения антинейтрино — частицы, которая была создана ядерным реактором, расположенным более чем в 240 км от этого места.

Исследование, описывает прорыв, который открывает новые возможности для экспериментов с нейтрино и технологий мониторинга, использующих доступные и безопасные материалы. Нейтрино — это одни из самых распространенных частиц, представляющие собой крошечные элементы, которые могут рассказать много о том, как устроена Вселенная. Однако у нейтрино есть несколько особенностей: они почти не имеют массы, не имеют заряда и очень слабо взаимодействуют с другими частицами. Они могут свободно проходить через материю, включая камни, как будто ничего и нет рядом. Именно поэтому их часто называют «призрачными частицами».

Антинейтрино — это античастицы, соответствующие нейтрино. Обычно античастица имеет заряд, противоположный зарядной модели своей частицы; например, у отрицательно заряженного электрона есть положительно заряженный аналог — позитрон. Однако, поскольку нейтрино не имеют заряда, различить их виды можно только потому, что электронное нейтрино связано с позитроном, а электронное антинейтрино — с электроном.

Электронное антинейтрино появляется, когда происходит ядерный бета-распад. Во время этого процесса нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Если электронное антинейтрино сталкивается с протоном, оно может вызвать образование позитрона и нейтрона. Это явление называется обратным бета-распадом.

Чтобы обнаружить этот тип распада, ученые используют большие резервуары с жидкостью, которые оснащены фотоумножителями. Эти устройства предназначены для улавливания слабого света, создаваемого черенковским излучением. Это излучение возникает, когда заряженные частицы движутся быстрее скорости света в жидкости, аналогично тому, как появляется звуковой удар, возникающий при преодолении звукового барьера. Поэтому такие установки очень чувствительны к малейшему свету. Антинейтрино, которые образуются в огромных количествах в ядерных реакторах, имеют относительно низкую энергию, что усложняет их обнаружение.

SNO+ — самая глубокая подземная лаборатория в мире, расположена на глубине более 2 км под землей. Эта каменная оболочка защищает от помех, создаваемых космическими лучами, что позволяет ученым получать очень чистые сигналы.

Внутри 780-тонного сферического резервуара лаборатории находится линейный алкилбензол — жидкий сцинтиллятор, который усиливает свет. В 2018 году, во время калибровки, резервуар заполнили сверхчистой водой.

В результате анализа данных, собранных за 190 дней во время этого этапа калибровки, группа SNO+ обнаружила признаки обратного бета-распада. Нейтрон, который образуется в ходе этого процесса, захватывается ядром водорода в воде, что вызывает мягкое свечение на очень специфическом энергетическом уровне — 2,2 мегаэлектронвольта.

Водяные черенковские детекторы традиционно испытывают трудности с обнаружением сигналов ниже 3 мегаэлектронвольт, однако детектор SNO+, заполненный водой, смог зафиксировать сигнал на уровне 1,4 мегаэлектронвольта. При этом вероятность обнаружения сигналов в 2,2 мегаэлектронвольта составляет примерно 50%, что побудило исследовательскую группу изучить возможность выявления признаков обратного бета-распада. Анализ одного из потенциальных сигналов показал, что с вероятностью 3 сигмы (что соответствует 99,7%) он может быть связан с антинейтрино.

SNO+ также используется для лучшего понимания природы нейтрино и антинейтрино, так как эти частицы сложно измерить напрямую и о них известно весьма мало. Один из основных вопросов касается их идентичности: являются ли нейтрино и антинейтрино одной и той же частицей. Обнаружение редкого распада, который ранее не фиксировался, могло бы помочь ответить на этот вопрос.

«Мы были удивлены, что чистая вода может быть использована для измерения антинейтрино, испускаемых реакторами, на таких значительных расстояниях, — отметил физик Логан Лебановски из коллаборации SNO+ и Калифорнийского университета в Беркли.. — Мы приложили значительные усилия для обработки данных за 190 дней. Результат радует».

Ранее подводный телескоп KM3NeT обнаружил нейтрино рекордной энергии — 220 ПэВ, что ознаменовало поворотный момент в астрофизике. Эта крошечная, но мощная частица, рожденная в результате самых экстремальных событий во Вселенной, дает новые подсказки о космических ускорителях. Хотя ее точное происхождение остается неизвестным, ученые полагают, что это может быть первое обнаруженное космогенное нейтрино.