Neuhvatljivi antineutrini iz ugašenih nuklearnih reaktora prvi put izmjereni
Fizičari su po prvi put izmjerili emisiju antineutrina iz ugašenih nuklearnih reaktora. Riječ je o izuzetno neuhvatljivim česticama, poznatim i kao „čestice duhovi“, koje zbog nedostatka električnog naboja i gotovo zanemarljive mase vrlo rijetko stupaju u interakciju s materijom.
Ta „sablasna“ priroda, kako piše Sajens alert (ScienceAlert), ključna je za razvoj novih metoda nuklearnog nadzora, jer omogućava neinvazivno praćenje procesa unutar reaktora čak i nakon što prestanu sa radom.
Eksperiment Dabl Šu
Mjerenje je sprovela naučna kolaboracija Dabl Šu (Double Chooz), koju su predvodili fizičari sa Instituta Maks Plank (Max Planck) za nuklearnu fiziku (MPIK). Oni su potvrdili da izmjerene čestice potiču iz istrošenog goriva unutar dva reaktora, kao i iz otpadnog materijala uskladištenog u bazenima za hlađenje. Eksperiment je realizovan od 2011. do 2017. godine u nuklearnoj elektrani Šu (Chooz) na sjeveru Francuske, gdje su korišćena dva podzemna detektora, postavljena na prosječnoj udaljenosti od 400 i 1.050 metara od dva aktivna reaktora.
„Dosadašnji eksperimenti s reaktorskim antineutrinima uglavnom su bili usmjereni na reaktore u pogonu, gdje je tok antineutrina znatno veći“, rekao je Antoni Onijon (Anthony Onillon), fizičar na MPIK-u i jedan od rukovodilaca studije. „Detekcija sićušnog preostalog signala nakon gašenja zahtijevala je izuzetno nizak nivo pozadinskog šuma i precizne analitičke tehnike koje je kolaboracija Dabl Šu razvijala godinama.“
Kako uhvatiti nevidljivu česticu
Glavni cilj eksperimenta bilo je proučavanje oscilacija, pojave pri kojoj neutrini i antineutrini tokom putovanja spontano mijenjaju vrstu, odnosno „ukus“. Fizičari iz Fermilaba ovu pojavu slikovito opisuju kao situaciju u kojoj se čokoladni sladoled kupljen u prodavnici na putu do kuće pretvori u vaniliju, a zatim u jagodu.
Antineutrini se ne mogu direktno vidjeti, pa istraživači njihovo postojanje zaključuju na osnovu rijetkih interakcija s drugim česticama unutar posebno dizajniranih detektora. „Antineutrini izuzetno rijetko stupaju u interakciju s materijom“, objašnjava Tjeri Laser (Thierry Lasserre), fizičar sa MPIK-a. „Ipak, kada do interakcije dođe unutar detektora Dabl Šu, stvara se karakterističan dvostruki svjetlosni signal koji se može razlikovati od pozadinskih događaja.“
Signal u dva koraka
Kada antineutrino prođe kroz detektor, može doći do sudara s protonom unutar tečnog scintilatora, odnosno materije koja pri prolasku zračenja emituje svjetlost. Tom prilikom nastaju neutron i pozitron, antimaterijski parnjak elektrona. Pozitron se gotovo odmah poništava u susretu s obližnjim elektronom, što stvara prvi bljesak svjetlosti. Novonastali neutron zatim biva uhvaćen od strane atoma gadolinijuma, rijetkog metala dodatog u scintilator, što izaziva drugi bljesak. Dva signala u kratkom vremenskom razmaku pouzdana su potvrda da je detektovan antineutrino, a cijeli proces naziva se inverzni beta-raspad (IBD).
Pošto se IBD često dešava tokom fisije uranijuma i plutonijuma u reaktorima, praćenje toka antineutrina moglo bi biti od velikog značaja za nuklearnu bezbjednost i analizu sastava goriva.
Rezultati i buduća primjena
Tokom 17,2 dana posmatranja, dok su oba reaktorska jezgra u elektrani Šu bila ugašena, istraživači su zabilježili 106 događaja, uz grešku od plus-minus 18. Taj rezultat je u skladu s teorijskim predviđanjem od 88, plus-minus sedam događaja, a izmjereni signal predstavlja manje od jedan odsto toka koji se bilježi dok su reaktori u radu.
Naučnici upozoravaju da se preciznost tehnike može dodatno poboljšati. Trenutna metoda osjetljiva je na veće promjene u toku čestica, ali vjerovatno ne bi mogla da otkrije, na primjer, da nedostaje nekoliko sklopova istrošenog goriva. I pored toga, ovaj rad predstavlja važan dokaz koncepta za razvoj direktnog i neinvazivnog nuklearnog nadzora, što bi u budućnosti moglo značajno da unaprijedi bezbjednosne standarde.
