ГИГАНТСКИЙ БАК С ВОДОЙ «СЛЫШИТ» АЭС ЗА 146 КМ

Ядерные реакторы — фабрики электронных антинейтрино. В топливе осколки деления претерпевают бета-распад: нейтрон в ядре превращается в протон, электрон и антинейтрино. Реакторы, собственно, стали первым источником нейтрино, которые удалось зарегистрировать, — в эксперименте Коуэна и Райнеса в 1956 году. С тех пор они помогли измерить, как нейтрино осциллируют — меняют тип во время полёта.

Коллаборация Super-Kamiokande — около 250 физиков из Японии, США, Европы, Кореи, Китая, Канады и других стран — сообщает, что теперь их видит и её детектор.

Бак для более крупной дичи

Super-Kamiokande — водный детектор массой 50 килотонн на глубине 1000 метров в шахте Камиока в Японии. Его внутренний объём содержит 32 000 тонн воды, за которой следят 11 129 датчиков света диаметром 20 дюймов каждый. Быстрая заряженная частица, пересекающая воду, испускает слабый конус света — черенковское излучение, — по которому можно восстановить её положение, направление и энергию.

Однако реакторные антинейтрино несут лишь несколько миллионов электронвольт. В этом диапазоне низких энергий одиночная вспышка легко теряется среди естественной радиоактивности и продуктов космических лучей.

Щепотка гадолиния

Хитрость — в сигнатуре из двух тактов. Когда антинейтрино сталкивается с протоном в воде, оно рождает позитрон, который сразу даёт вспышку, и нейтрон, который блуждает, замедляется и в конце концов захватывается ядром. При захвате водородом нейтрон испускает один гамма-квант с энергией 2,2 МэВ, который трудно заметить. При захвате гадолинием он испускает каскад гамма-квантов суммарной энергией около 8 МэВ, который заметить легко.

Поэтому в июле 2020 года в воде растворили 13 тонн сульфата гадолиния (0,011% по массе); в июне 2022 года добавили ещё 27 тонн (0,033%). Теперь около половины нейтронов, а затем около трёх четвертей захватываются гадолинием — примерно за 120, а затем за 60 микросекунд. Быстрый программный триггер регистрирует электроны начиная примерно с 2,5 МэВ с эффективностью, близкой к 100%.

Прислушиваясь к заливу Вакаса

Несколько электростанций расположены примерно в 200 км от детектора, в основном в Японии, с небольшим вкладом из Кореи. Ближайшие действующие находятся у залива Вакаса: Михама-3 (146 км), Ои-3 и 4 (179 км) и Такахама-1–4 (191 км). В 2020–2023 годах многие из них работали или перезапускались. Ожидаемый поток рассчитывался помесячно по заявленной нагрузке каждого реактора с использованием базы данных реакторов Международного агентства по атомной энергии.

Фон создают геонейтрино — антинейтрино от собственной радиоактивности Земли, — случайные совпадения и радиоактивные продукты, оставленные космическими мюонами. Чтобы измерить его, команда воспользовалась удачным окном: в ноябре и декабре 2020 года основные реакторы у залива Вакаса были остановлены или останавливались. Данные этих двух месяцев — почти чистый фон.

Анализ охватывает 411,52 дня рабочего времени — с февраля 2021 по сентябрь 2023 года. Классификатор на основе машинного обучения и отборы по времени (менее 80 микросекунд) и расстоянию (менее 2 метров) между двумя вспышками выделяют пары-кандидаты.

Сигнал, следующий за реакторами

Месячная частота событий повторяет активность реакторов и согласуется с предсказанием, учитывающим осцилляции. Мир без реакторных антинейтрино отвергается со значимостью около 6 сигма: это первое наблюдение реакторных антинейтрино на Super-Kamiokande. Общее число отобранных событий в статье не приводится.

Из энергетического спектра команда извлекает два параметра осцилляций: sin²θ₁₂ = 0,500 ± 0,155 и Δm²₂₁ = (9,08 +0,55/−0,54) × 10⁻⁵ эВ².

Нейтрино и антинейтрино бок о бок

Super-Kamiokande измеряет и нейтрино от Солнца, которые являются веществом, а не антивеществом. Сравнение тех и других — проверка фундаментальной симметрии физики, называемой CPT. Значения расходятся примерно на 1,1 сигма по углу и на 2,2 сигма по разности масс; в целом два набора данных совместимы на уровне 1,9 сигма — статистически значимых признаков различия нет. В сочетании они дают sin²θ₁₂ = 0,332 (+0,028/−0,026) и Δm²₂₁ = (8,94 +0,46/−0,47) × 10⁻⁵ эВ².

В препринте, поданном в Physical Review Letters, есть одно несоответствие: тест на совместимость приводится как Δχ² = 7,25 в основном тексте и 7,64 в приложении, причём оба значения соотнесены с 1,9 сигма. Авторы делают вывод, что вода с добавкой гадолиния превращает гигантский черенковский бак в работающий детектор антинейтрино с энергией в несколько миллионов электронвольт, открывающий возможности для будущих измерений в этом диапазоне энергий.