Реакторные нейтрино

Реакторные нейтрино — это антинейтрино, которые возникают в ядерных реакторах. Они самый сильный созданный человеком источник нейтрино и дали физике больше знаний, чем любой другой.

Откуда они берутся

При делении ядра тяжёлое ядро распадается на два средней тяжести. У этих осколков слишком много нейтронов, и они становятся стабильными через цепочку бета-распадов. Каждый из этих распадов высвобождает антинейтрино.

На одно деление в среднем возникает около шести из них. Энергетический реактор тепловой мощностью в три гигаватта посылает тем самым около 6 × 10²⁰ антинейтрино в секунду — во все стороны, беспрепятственно сквозь бетон, сталь и грунт.

Энергии простираются примерно до восьми мегаэлектронвольт, с основной массой у нескольких. Для регистрации через обратный бета-распад, однако, считается лишь часть выше 1,8 мегаэлектронвольта — ниже энергии не хватает, чтобы сделать из протона нейтрон и позитрон. Тем самым видна лишь часть спектра.

Почему реакторы столь полезны

Четыре свойства делают их идеальным источником.

Они сильны. Никакой другой искусственный процесс не даёт столько нейтрино на столь малом пространстве.

Они чисты. Выходит только один сорт — электронные антинейтрино. Стало быть, эксперименту нужно лишь проверить, скольких из них не хватает, и не требуется разделение нескольких видов.

Они предсказуемы. Из тепловой мощности следует число делений, а из него число антинейтрино.

Их можно выключить. При ревизии реактор стоит, и эксперимент измеряет чистый фон. Лучшего отрицательного контроля не существует — и именно он сделал в 1956 году первую регистрацию нейтрино убедительной.

Что с их помощью было измерено

Примечателен размах расстояний. Более ранние эксперименты стояли в нескольких сотнях метров от реактора и не нашли ничего — путь был слишком коротким. KamLAND использовал 180 километров и нашёл осцилляции. Daya Bay выбрал с примерно 1,6 километра ровно то расстояние, на котором малый угол θ₁₃ разворачивает своё наибольшее действие.

Выбор расстояния и есть в реакторных экспериментах собственно проектное решение.

Аномалия реакторных антинейтрино

В 2011 году пересчёт ожидаемых скоростей счёта дал, что измеренные значения лежат примерно на шесть процентов ниже. Как и при галлиевой аномалии SAGE, в качестве объяснения рассматривались стерильные нейтрино.

Тем временем многое указывает на то, что отклонение сидит скорее в таблицах ядерных данных, чем в новой физике. В пользу этого говорит одна деталь: состав топлива меняется в течение цикла — уран-235 расходуется, плутоний-239 возникает, — и оба дают разные спектры. Измерения при разных составах топлива наводят на мысль, что отклонение сидит прежде всего у урана-235. Это подходит к ошибке в таблицах, а не к новой частице.

Окончательно вопрос не выяснен.

Применение за пределами фундаментальных исследований

Реактор можно распознать по его нейтрино. Их число и спектр выдают мощность и состав топлива — в том числе и вопрос, возникает ли плутоний.

Поэтому Международное агентство по атомной энергии развивает идею использовать нейтрино для контроля за реакторами. Такой детектор можно было бы установить вне установки, и его нельзя было бы обмануть: нейтрино нельзя ни экранировать, ни отклонить.

Смежные понятия

• Антинейтрино — то, что излучает реактор
• KamLAND и Daya Bay — большие измерения
• Геонейтрино — та же техника регистрации, другой источник
• CEνNS

Источники

• Коллаборация KamLAND: First Results from KamLAND, Physical Review Letters 90, 021802 (2003).
• Коллаборация Daya Bay: Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Physical Review Letters 108, 171803 (2012).