Нейтрино в "сердце" реактора

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 39 (2020)

Проблема стерильных нейтрино не так уж необычна для физики. В свое время наличием таких частиц пытались объяснить даже дефицит нейтрино, приходящих от Солнца. Но возможное их обнаружение в экспериментах на ядерных реакторах достаточно новая идея. Коллектив научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии ЛЯП лидирует в подобного рода исследованиях.

Изучение физических процессов, происходящих с участием нейтрино, в условиях работающего энергетического атомного реактора имеет не только научное, но и сугубо практическое значение. Нейтрино, обладающее огромной проникающей способностью, позволяет заглянуть прямо в "сердце" реактора. А более полное понимание процессов, происходящих внутри реактора, позволяет повысить эффективность использования ядерного топлива за счет контроля пространственной картины его выгорания. Поэтому такое важное значение имеют расчет и экспериментальное измерение спектральных характеристик продуктов распада, в частности определение энергетического спектра испускаемых нейтрино.

В 2011 году французские исследователи пересчитали спектр реакторных антинейтрино с учетом всех новых знаний о физике процесса с точностью 3 процента. Сравнение полученного спектра с экспериментальным показало разницу на уровне 10 процентов, что невозможно объяснить только ошибками вычислений.

Одна из возможных причин этого расхождения, предложенная авторами, - наличие нового типа нейтрино, в которое переходят (осциллируют) нейтрино от процессов деления. В настоящее время известны три разновидности активных нейтрино (e, µ,  - электронное, мюонное и тау-нейтрино), а эксперименты на ускорителях показали, что активных нейтрино не может быть больше. Следовательно, если еще одно нейтрино и существует, оно может быть только стерильным. Напомним, что обычное нейтрино взаимодействует лишь слабым образом (гравитацией в микромире можно пренебречь), а в рассматриваемом случае отсутствует и это взаимодействие. Именно это свойство и принято называть стерильностью. При таких условиях осцилляции становятся единственным эффектом, по которому подобную частицу можно обнаружить. Проблема, известная теперь как "Реакторная антинейтринная аномалия" (РАА), породила бурную экспериментальную активность с целью ее проверки, поскольку обнаружение стерильного нейтрино станет фундаментальным прорывом в физике частиц.

Ожидаемые параметры для этой гипотетической частицы (лучшая точка РАА), а именно угол смешивания между обычным и стерильным нейтрино (определяющий амплитуду осцилляций) и разница квадратов масс между активными и стерильными нейтринными состояниями (определяющий частоту осцилляций), оказались таковыми, что превращения реакторных активных нейтрино в стерильные должны происходить на очень коротких расстояниях - 5^-15 м между реактором и детектором.

Исследовательская группа из ЛЯП, занимающаяся нейтринными экспериментами на Калининской атомной станции, оказалась в выигрышном положении, так как создаваемая ей в тот момент в целях мониторинга энергетического реактора установка DANSS (Detector of AntiNeutrinos based on Solid state Scintillator) находилась как раз на подходящей дальности от центра активной зоны реактора (диапазон возможных положений может меняться от 9,6 до 13,7 м). Более того, это расстояние могло варьироваться благодаря подвижной системе, на которой она размещалась. Последнее обстоятельство позволило избежать использования в анализе абсолютных величин, в частности самого расчетного спектра реакторных антинейтрино, так как в этом случае нам важно измерять лишь соответствие изменения потока нейтрино закону обратных квадратов. Помимо прекрасного расположения установки еще одним преимуществом оказалось использование в качестве рабочего вещества твердого сцинтиллятора, что существенно упростило организацию экспериментальных работ на атомной станции. Достаточно сказать, что большинство жидких сцинтилляторов являются горючими, и это в силу соображений безопасности сильно усложняет их использование на промышленном ядерном объекте, а в случае экспериментов в непосредственной близости от активной зоны, вероятно, и полностью исключает такую возможность.

Рабочий объем установки эксперимента DANSS составляет один кубический метр, набранный из сцинтилляционных ячеек (стрипов) размером 100x4x1 см. Для регистрации нейтрино используется широко известная реакция обратного бета-распада. Ее преимущество заключается в четком выделении истинных событий из фоновых за счет регистрации двух сигналов: быстрого, соответствующего позитрону, и задержанного, соответствующего замедленному нейтрону. Возможность проведения эксперимента была вначале проверена на прототипе DANSSino, а сама установка в полном объеме начала измерения в 2016 году. К настоящему моменту накопленная статистика включает почти четыре миллиона нейтринных событий - примерно по 1 миллиону нейтрино в год. Ежедневная скорость регистрации составляет около 5000 событий при фоне, не превышающем 2 процентов. Такое количество нейтрино до сих не регистрировалось ни в одном из экспериментов. Следует также отметить, что созданная детектирующая система - отличный мониторинг тепловой мощности реактора.

Как показали результаты эксперимента, осцилляции с параметрами лучшей точки РАА практически исключены. Кроме этого, расчеты на основании экспериментальных данных DANSS закрывают большую область параметров осцилляций в стерильное нейтрино. Большую, но не всю. На карте фазового пространства стерильных нейтрино еще осталось немало белых пятен. В частности, в 2018 году участники эксперимента НЕЙТРИНО-4 под руководством А.П.Сереброва (ПИЯФ) объявили о наблюдении осцилляций в стерильные нейтрино с другими параметрами угла смешивания и квадрата масс, отличными от РАА, и, к сожалению, недоступными для спектрометра DANSS в его первоначальном виде. В связи с этим прорабатывается вопрос о модернизации установки с целью увеличения чувствительности к стерильным нейтрино. После модернизации, которую планируется осуществить в течение двух лет, DANSS-2 будет способен достичь точки фазового пространства, в которой, по заявлению НЕЙТРИНО-4, наблюдается эффект.

Коллектив ученых из эксперимента DANSS: В.В.Белов, В.Б.Бруданин, И.В.Житников, С.В.Казарцев, А.С.Кузнецов, Д.В.Медведев, М.В.Фомина, Е.А.Шевчик, М.В.Ширченко, Ю.А.Шитов, - был удостоен первой премии ОИЯИ за 2019 год в номинации "Научно-исследовательские экспериментальные работы" за "измерение энергетических спектров реакторных антинейтрино в проекте DANSS". Премии ОИЯИ присуждаются за выдающиеся экспериментальные, методические и прикладные работы по тематике Института, находящиеся на уровне современной науки и завершенные в текущем году.

В заключение хотелось бы отметить, что душой и настоящим "мотором" описанного эксперимента на протяжении многих лет был Вячеслав Георгиевич Егоров, скоропостижно ушедший от нас в июле прошлого года. Его преданность работе по-прежнему служит нам примером, а опыта, знаний и личной поддержки Вячеслава Георгиевича нам все так же не хватает.

Марк ШИРЧЕНКО, Юрий ШИТОВ