Нейтрино — это крайне неуловимые элементарные частицы. Днём и ночью 60 миллиардов нейтрино излучаются солнцем и проходят через каждый квадратный сантиметр Земли каждую секунду, для которой они прозрачны. После первого теоретического предсказания их существования прошли десятилетия, прежде чем они были обнаружены.
Успешное обнаружение антинейтрино
Учёные из Института ядерной физики Общества Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге смогли обнаружить антинейтрино из реактора атомной электростанции с помощью эксперимента CONUS+. Масса детектора составляет всего 3 кг. Работа опубликована в журнале Nature.
Эксперимент CONUS+ изначально базировался на атомной электростанции в Брокдорфе, а летом 2023 года был перемещён на атомную электростанцию Лейбштадт (KKL) в Швейцарии. Улучшения в 1 кг германиевых полупроводниковых детекторах, а также отличные условия измерения на KKL позволили впервые измерить так называемое когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах (CEvNS).
Принцип когерентного упругого рассеяния нейтрино на ядрах
В этом процессе нейтрино не рассеиваются на отдельных компонентах атомных ядер в детекторе, а когерентно со всем ядром. Это значительно увеличивает вероятность очень малой, но наблюдаемой ядерной отдачи. Эта отдача, вызванная рассеянием нейтрино, сравнима с отскоком шарика для пинг-понга от машины, а обнаружение — с изменением движения машины.
В случае CONUS+ партнёрами по рассеянию являются атомные ядра германия. Для наблюдения этого эффекта требуются нейтрино низкой энергии, такие как те, что производятся в больших количествах в ядерных реакторах.
Эффект был предсказан ещё в 1974 году, но впервые подтверждён в 2017 году экспериментом COHERENT на ускорителе частиц. Эксперимент CONUS+ впервые успешно наблюдал этот эффект при полной когерентности и более низких энергиях в реакторе.
Компактная установка CONUS+ расположена на расстоянии 20,7 м от активной зоны реактора. В этом положении более 10 триллионов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр поверхности каждую секунду.
Результаты измерений
После примерно 119 дней измерений в период с осени 2023 года по лето 2024 года исследователи смогли извлечь избыток сигналов нейтрино в количестве 395 ± 106 из данных CONUS+, вычитая все фоновые и мешающие сигналы. Это значение очень хорошо согласуется с теоретическими расчётами в пределах погрешности измерения.
«Мы успешно подтвердили чувствительность эксперимента CONUS+ и его способность обнаруживать рассеяние антинейтрино на атомных ядрах», — объясняет доктор Кристиан Бак, один из авторов исследования. Он также подчёркивает потенциал разработки небольших мобильных детекторов нейтрино для мониторинга выходной мощности реактора или концентрации изотопов в качестве возможных будущих применений техники CEvNS.
Потенциал для новых открытий
Измерение CEvNS предоставляет уникальную информацию об основных физических процессах в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц, текущей теории, описывающей структуру нашей Вселенной. По сравнению с другими экспериментами измерения с CONUS+ позволяют снизить зависимость от аспектов ядерной физики, тем самым повышая чувствительность к новой физике за пределами Стандартной модели.
По этой причине осенью 2024 года в CONUS+ были установлены улучшенные и более крупные детекторы. Ожидается, что с полученной точностью измерений результаты станут ещё лучше.
«Методы и подходы, использованные в CONUS+, имеют отличный потенциал для фундаментальных новых открытий», — подчёркивает профессор Линднер, инициатор проекта и также автор исследования. «Новаторские результаты CONUS+ могут стать отправной точкой для новой области исследований нейтрино».
Предоставлено:
- [Общество Макса Планка](https://phys.org/partners/max-planck-society/)