Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, проведенное международной группой ученых, в том числе Джошуа Кляйном, профессором Школы искусств и наук Эдмунда Дж. и Луизы В. Кан, привело к значительному прорыву в обнаружении нейтрино.
Международный совместный эксперимент, известный как Sudbury Neutrino Observation (SNO+), расположенный в шахте в Садбери, Онтарио, примерно в 240 км (около 149,13 миль) от ближайшего ядерного реактора, обнаружил субатомные частицы, известные как антинейтрино, с использованием чистой воды . Кляйн отмечает, что предыдущие эксперименты делали это с жидким сцинтиллятором, маслоподобной средой, которая излучает много света, когда через нее проходят заряженные частицы, такие как электроны или протоны.
«Учитывая, что детектор должен быть удален от реактора на расстояние 240 км, примерно половину длины штата Нью-Йорк, требуется большое количество сцинтиллятора, который может быть очень дорогим», — говорит Кляйн. «Итак, наша работа показывает, что можно построить очень большие детекторы, чтобы делать это с помощью одной только воды».
Что такое нейтрино и антинейтрино и почему вас это должно волновать
Кляйн объясняет, что нейтрино и антинейтрино — это крошечные субатомные частицы, которые являются самыми распространенными частицами во Вселенной и считаются фундаментальными строительными блоками материи, но ученым было трудно обнаружить их из-за их редких взаимодействий с другой материей и из-за того, что они не могут быть защищены. они могут пройти через все и вся. Но это не означает, что они вредны или радиоактивны: почти 100 триллионов нейтрино проходят через наши тела каждую секунду без предупреждения.
Эти свойства, однако, также делают эти неуловимые частицы полезными для понимания ряда физических явлений, таких как формирование Вселенной и изучение удаленных астрономических объектов, и они «имеют практическое применение, поскольку их можно использовать для наблюдения за ядерными реакторами и потенциально обнаружить тайную ядерную деятельность», — говорит Кляйн.
Откуда они
В то время как нейтрино обычно образуются в результате высокоэнергетических реакций, таких как ядерные реакции в звездах, такие как синтез водорода в гелий на Солнце, когда протоны и другие частицы сталкиваются и выделяют нейтрино в качестве побочного продукта, антинейтрино, по словам Кляйн, обычно производятся искусственно». например, ядерные реакторы, которые для расщепления атомных ядер производят антинейтрино в результате радиоактивного бета-распада в результате реакции», — говорит он. «Таким образом, ядерные реакторы производят большое количество антинейтрино и делают их идеальным источником для их изучения».
Почему это последнее открытие является прорывом
«Итак, наблюдение за реакторами путем измерения их антинейтрино говорит нам о том, включены они или выключены, — говорит Кляйн, — и, возможно, даже о том, какое ядерное топливо они сжигают».
Кляйн объясняет, что поэтому реактор в чужой стране можно контролировать, чтобы увидеть, переключается ли эта страна с реактора, вырабатывающего энергию, на реактор, производящий оружейный материал. Проведение оценки только с использованием воды означает, что можно построить множество крупных, но недорогих реакторов, чтобы гарантировать, например, что страна соблюдает свои обязательства по договору о ядерном оружии; это ручка по обеспечению ядерного нераспространения.
Почему этого не было сделано раньше
«Реакторные антинейтрино имеют очень низкую энергию, поэтому детектор должен быть очень чистым даже от следовых количеств радиоактивности», — говорит Клейн. «Кроме того, детектор должен иметь возможность «срабатывать» при достаточно низком пороге, чтобы события могли быть обнаружены».
Он говорит, что для реактора на расстоянии 240 км особенно важно, чтобы реактор содержал не менее 1000 тонн воды. SNO+ удовлетворил всем этим критериям.
Ведущий заряд
Кляйн благодарит своих бывших стажеров Таннера Каптанглу и Логана Лебановски за то, что они возглавили эту работу. В то время как идея этого измерения была частью докторской диссертации Каптанглу , Лебановски, бывший научный сотрудник, руководил операцией.
«Вместе с нашей контрольно-измерительной группой мы спроектировали и построили всю электронику для сбора данных, а также разработали систему запуска детектора, которая позволила SNO+ иметь порог энергии, достаточно низкий для обнаружения антинейтрино реактора».
