Нейтрино — это чрезвычайно неуловимые элементарные частицы. Днём и ночью 60 миллиардов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр Земли каждую секунду, не встречая преград. После первого теоретического предсказания их существования прошли десятилетия, прежде чем они были реально обнаружены. Эти эксперименты обычно требуют огромных размеров из-за очень слабого взаимодействия нейтрино с веществом.
Учёные из Института ядерной физики Общества Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге успешно обнаружили антинейтрино от 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 для измерений на KKL позволили впервые измерить так называемое когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах (CEvNS).
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 автомобиля, а обнаружение — с изменением движения автомобиля.
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.
После примерно 119 дней измерений в период с осени 2023 года по лето 2024 года исследователи смогли извлечь избыток сигналов от 395 ± 106 нейтрино из данных CONUS+, вычитая все фоновые и мешающие сигналы. Это значение очень хорошо согласуется с теоретическими расчётами в пределах погрешности измерений.
«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 потенциальное развитие небольших мобильных детекторов нейтрино для мониторинга выходной мощности реактора или концентрации изотопов в качестве возможных будущих применений техники CEvNS, представленной здесь.
Измерение CEvNS даёт уникальное представление 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 будут ещё лучше.
«Методы и подходы, используемые 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 Обществом Макса Планка