Из сердца реактора
Изучение физических процессов, происходящих с участием нейтрино, в условиях работающего энергетического атомного реактора имеет не только научное, но и сугубо практическое значение. Обладающее огромной проникающей способностью, нейтрино позволяет заглянуть прямо в «сердце» реактора. А более полное понимание процессов, происходящих внутри реактора, способно помочь повысить эффективность использования ядерного топлива за счет контроля пространственной картины его выгорания. Поэтому большое значение имеет расчёт 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%. Сравнение полученного спектра с экспериментальным показало разницу на уровне 10%, 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, τ – 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 ОИЯИ, 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 м 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 расчётного спектра реакторных антинейтрино, так как в этом случае нам важно измерять лишь соответствие изменения потока нейтрино закону обратных квадратов. Помимо прекрасного расположения установки ещё одним преимуществом оказалось использование в качестве рабочего вещества твёрдого сцинтиллятора, что существенно упростило организацию экспериментальных работ на атомной станции. Достаточно сказать, что большинство жидких сцинтилляторов являются горючими, что 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 объём установки эксперимента DANSS составляет один кубический метр, набранный из сцинтилляционных ячеек (стрипов) размером 1м x 4 см x 1 см. Для регистрации нейтрино используется широко известная реакция обратного бета-распада. Её преимущество заключается в чётком выделении истинных событий из фоновых за счёт 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 объёме 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%. Такое количество нейтрино до сих не регистрировалось ни одним экспериментом. Следует также отметить, что созданная детектирующая система является отличным мониторингом 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 эксперимент НЕЙТРИНО-4 под руководством А. П. Сереброва (ПИЯФ) объявил 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 2 лет, DANSS 2 будет способен достичь точки фазового пространства, в которой, по заявлению НЕЙТРИНО-4, наблюдается эффект.
Коллектив ученых из эксперимента DANSS в составе: 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 — за «Измерение энергетических спектров реакторных антинейтрино в проекте DANSS» был удостоен первой премии ОИЯИ за 2019 г. в номинации «Научно-исследовательские экспериментальные работы». 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 всё также не хватает.
М. Ширченко, Ю. Шитов
Новости лаборатории
