В провинции Онтарио, Канада, в резервуаре с чистой водой, расположенном на значительной глубине под слоем горных пород, произошло загадочное свечение. Это событие стало знаковым открытием в физике частиц, поскольку впервые удалось зафиксировать антинейтрино с помощью воды. Источником этих частиц стал ядерный реактор, находящийся более чем в 240 км от места эксперимента. Данное открытие открывает новые перспективы для изучения нейтрино и разработки технологий мониторинга с применением доступных и безопасных материалов.
Нейтрино: загадочные частицы Вселенной
Нейтрино — одни из самых распространенных элементарных частиц во Вселенной. Они практически не имеют массы, не несут электрического заряда и слабо взаимодействуют с веществом. Это позволяет им беспрепятственно проходить сквозь любые материалы, включая горные породы и даже планеты. Из-за этих свойств их часто называют «призрачными частицами».
Антинейтрино — это античастицы нейтрино. В отличие от других пар частиц-античастиц, где разница заключается в электрическом заряде (например, у электрона и позитрона), антинейтрино можно отличить только по связям с другими частицами. Так, электронное нейтрино связано с позитроном, а электронное антинейтрино — с электроном.
Эти частицы появляются при ядерном бета-распаде, когда нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Если антинейтрино взаимодействует с протоном, оно может вызвать рождение позитрона и нейтрона — процесс, известный как обратный бета-распад.
Как обнаруживают антинейтрино
Для регистрации подобных явлений ученые используют крупные резервуары с жидкостью, оснащенные фотоумножителями — приборами, фиксирующими слабое свечение, возникающее в результате черенковского излучения. Этот эффект похож на ударную волну в воздухе, возникающую при превышении звукового барьера, но происходит при движении заряженных частиц быстрее скорости света в воде или другой среде.
Основная сложность заключается в том, что антинейтрино, испускаемые ядерными реакторами, обладают сравнительно низкой энергией. Это затрудняет их обнаружение, поскольку сигналы могут теряться на фоне шумов окружающей среды.
Прорыв в лаборатории SNO+
SNO+ — одна из самых глубоких подземных лабораторий в мире, расположенная на глубине более 2 км. Такое размещение позволяет защитить эксперименты от космических лучей и других внешних помех, что повышает точность измерений.
Внутри лаборатории находится огромный сферический резервуар объемом 780 тонн, заполненный жидким сцинтиллятором — линейным алкилбензолом, который усиливает свечение, возникающее при взаимодействии частиц. Однако в 2018 году во время калибровки резервуар был заполнен сверхчистой водой, что привело к неожиданному открытию.
Анализ данных, собранных за 190 дней, позволил обнаружить признаки обратного бета-распада. Образовавшийся в ходе реакции нейтрон захватывается ядром водорода, что приводит к появлению характерного свечения на энергетическом уровне 2,2 мегаэлектронвольта.
Ранее водные черенковские детекторы не могли регистрировать сигналы ниже 3 мегаэлектронвольт, но установка SNO+ продемонстрировала чувствительность к энергиям до 1,4 мегаэлектронвольта. Вероятность фиксации сигналов в диапазоне 2,2 мегаэлектронвольта составила 50%, что подтвердило возможность обнаружения антинейтрино таким методом.
Один из зафиксированных сигналов с вероятностью 99,7% (уровень достоверности 3 сигмы) был связан с антинейтрино.
Будущее исследований нейтрино
Эксперименты в SNO+ помогают ученым лучше понять природу нейтрино и антинейтрино, которые до сих пор остаются малоизученными. Одним из главных вопросов остается их идентичность: являются ли нейтрино и антинейтрино одной и той же частицей? Обнаружение редких видов распада могло бы дать ответ на этот фундаментальный вопрос.
«Мы были удивлены тем, что обычная чистая вода может использоваться для обнаружения антинейтрино от ядерных реакторов на таких больших расстояниях, — отметил физик Логан Лебановски из коллаборации SNO+ и Калифорнийского университета в Беркли. — Мы тщательно анализировали данные в течение 190 дней, и результаты впечатляют».
Ранее ученые из проекта KM3NeT обнаружили нейтрино с рекордной энергией 220 петаэлектронвольт. Это открытие стало важным шагом в астрофизике, поскольку такие частицы рождаются в самых экстремальных условиях во Вселенной и могут указывать на источники космических ускорителей. Хотя их происхождение пока остается загадкой, существует вероятность, что это первое зафиксированное космогенное нейтрино.
Новое исследование с использованием воды для обнаружения антинейтрино открывает новые возможности в области фундаментальной физики. В перспективе такие методы могут быть применены не только в лабораторных условиях, но и в системах контроля ядерных реакторов и мониторинга нейтринных потоков из глубин космоса.