Антинейтрино от уранового реактора: новые открытия и загадки

Антинейтрино — это элементарные частицы, которые обладают очень маленькой массой и не имеют электрического заряда. Они возникают при распаде атомных ядер, например, в ядерных реакторах. Изучение спектра антинейтрино, то есть распределения их энергии, может дать ценную информацию о физике ядерных реакций, свойствах антинейтрино и возможном существовании новых частиц.

Однако измерить спектр антинейтрино не так просто, так как они очень слабо взаимодействуют с другими частицами и трудно регистрируются детекторами. Кроме того, спектр антинейтрино зависит от типа ядерного топлива, которое используется в реакторе, и от его степени сгорания. Поэтому для точного измерения спектра антинейтрино нужен мощный реактор с хорошо известным составом топлива и высокочувствительный детектор, расположенный на небольшом расстоянии от реактора.

Такие условия были созданы в эксперименте PROSPECT-I, который проводился на реакторе высокого потока изотопов (HFIR) в Ок-Ридж Нэшнл Лэборатори (ОРНЛ) в США. HFIR — это ядерный реактор с мощностью 85 МВт, который работает на высокообогащенном уране-235. Это один из самых мощных источников нейтронов для научных исследований в США и в мире. PROSPECT-I — это детектор антинейтрино, который состоит из жидкого сцинтиллятора с добавлением лития-6. Он расположен на расстоянии около 7 метров от реактора и занимает площадь около 12 квадратных метров.

Цель эксперимента PROSPECT-I была измерить спектр антинейтрино от чистого уранового топлива и сравнить его с теоретической моделью Хубера-Мюллера, которая основана на данных о распадах отдельных ядер-продуктов деления урана. Также интересным было проверить гипотезу о возможном существовании так называемых стерильных нейтрино — гипотетических частиц, которые не взаимодействуют со стандартной моделью частиц и могут быть ответственны за некоторые аномалии в наблюдаемых спектрах антинейтрино от разных реакторов.

Результаты эксперимента PROSPECT-I были опубликованы в журнале Physical Review Letters. Они показали, что измеренный спектр антинейтрино от уранового топлива согласуется с моделью Хубера-Мюллера в большинстве областей энергии, за исключением диапазона от 5 до 7 МэВ, где наблюдается избыток антинейтрино по сравнению с моделью. Этот избыток может быть связан с неточностями в данных о распадах некоторых ядер-продуктов деления урана, которые требуют дальнейшего изучения.

Сравнение результатов PROSPECT-I с данными от других реакторов, работающих на разных типах топлива, позволило исключить гипотезу о стерильных нейтрино как единственном объяснении аномалий в спектрах антинейтрино. Эта гипотеза предполагала, что часть антинейтрино переходит в стерильное состояние и теряется для детектирования. Однако такой эффект должен был бы одинаково влиять на антинейтрино от всех изотопов топлива, что противоречит наблюдениям. Поэтому более вероятным кажется объяснение аномалий с помощью корректировки теоретической модели спектра антинейтрино.

Эксперимент PROSPECT-I продемонстрировал высокую точность и чувствительность измерения спектра антинейтрино от реактора HFIR. Это открыло новые возможности для исследования физики ядерных реакций, свойств антинейтрино и поиска новых физических явлений. В будущем планируется продолжить эксперимент с улучшенным детектором и большими статистическими данными.