Физики нашли способ избавиться от дефицита антинейтрино
Делимся репортажем из журнала Science Magazine:
Загадка физики подошла к концу, и решение было столь же шокирующим, как «это сделал дворецкий».
В течение десятилетия физики размышляли, почему ядерные реакторы выбрасывают меньше частиц, называемых нейтрино, чем предполагалось.
Некоторые предположили, что неуловимые частицы материи могут превращаться в более странные, необнаружимые «стерильные» нейтрино. Вместо этого новые результаты подтверждают то, о чем говорили другие эксперименты: теоретики переоценили количество нейтрино, которое должен произвести реактор.
В активной зоне реактора ядра урана и плутония расщепляются в результате цепной реакции, а антинейтрино возникают в результате радиоактивного «бета-распада» оставшихся более легких ядер. При таком распаде нейтрон в ядре превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино. Чтобы предсказать общий поток антинейтрино, физикам пришлось учитывать количество и количество распадов множества различных ядер.
Этот учет указывал на нехватку, но в 2017 году физики из нейтринного эксперимента Daya Bay Reactor в Китае поставили это под сомнение.
Они изучили антинейтрино из шести коммерческих реакторов, сжигающих топливо с 4% атомов урана-235, которые могут поддерживать цепную реакцию, и 96% атомов урана-238, которые не могут. Когда уран-235 расходуется, нейтроны от его деления превращают уран-238 в плутоний-239, который также поддерживает цепную реакцию.
Физики Дайя-Бей обнаружили, что дефицит антинейтрино уменьшился по мере уменьшения количества урана-235, предполагая, что теоретики переоценили поток антинейтрино, исходящих от урана-235.
Теперь физики, работающие на небольшом исследовательском реакторе во Франции, подтвердили это подозрение. Реактор в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) производит большое количество нейтронов для изучения материалов. Он также использует топливо, содержащее 93% урана-235.
Таким образом, изучая антинейтрино от него, исследователи, работающие с детектором нейтрино под названием STEREO, смогли измерить поток антинейтрино только от урана-235.
Детектор состоит из шести одинаковых маслонаполненных сегментов, выстроенных в линию, как зубы, на расстоянии от 9 до 11 метров от активной зоны реактора.
В редких случаях протон в масле поглощает электронное антинейтрино, превращаясь в нейтрон, выбрасывая при этом позитрон — что-то вроде обратного бета-распада.
Когда позитрон проходит через масло, он производит свет, пропорциональный энергии исходного нейтрино.
Исследователи STEREO показали, что спектр энергий электронных антинейтрино остается неизменным по мере увеличения расстояния от ядра. Это наблюдение противоречит идее о том, что некоторые из них превращаются в стерильные нейтрино, потому что нейтрино с более низкими энергиями должны трансформироваться быстрее, чем нейтрино с более высокими энергиями, изменяя спектр по мере продвижения нейтрино.
Исследователи STEREO также показали, что общий поток антинейтрино от урана-235 былниже, чем тот, который используется в моделях теоретиков, как они сообщают сегодня в Nature.
Взятые вместе, наблюдения положили конец дефициту антинейтрино в реакторе как доказательству наличия стерильного нейтрино с энергией 1 эВ, говорит Давид Люлье, физик-нейтрино из Комиссии по атомной энергии Франции и представитель группы STEREO, состоящей из 26 человек.
«Можно ли это объяснить наличием стерильного нейтрино с массой около 1 эВ? Ответ — нет».
Люлье отмечает, что другие эксперименты, такие как PROSPECT в Окриджской национальной лаборатории, пришли к аналогичным выводам.
Фото: Science