Нейтринное дыхание атомного реактора

25 июля 2014 г.

В данной публикации мы хотим рассказать об одном совместном эксперименте «Нейтрино-4», который проводится на двух научно-исследовательских реакторах, а именно: ВВР-М - Петербургский институт ядерной физики НИЦ КИ, г. Гатчина и СМ-3 - Научно–исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР), г. Димитровград, Ульяновская область.

НИИАР был создан в 1956 г. по инициативе академика И.В. Курчатова, и в настоящее время является крупнейшим в России научно-исследовательским экспериментальным комплексом гражданской атомной энергетики. В институте действуют 6 исследовательских ядерных реакторов.

Эксперимент «Нейтрино-4» по поиску осцилляций реакторных антинейтрино в стерильное состояние только начат, но уже можно рассказать о некоторых результатах. Участниками эксперимента являются исследователи четырех институтов. Руководит проектом профессор Анатолий Павлович Серебров, заслуженный деятель науки РФ, заведующий отделом нейтронной физики в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П.Константинова.

В ПИЯФ (Гатчина) на реакторе ВВР-М была подготовлена экспериментальная установка с нейтринным детектором, с пассивной и активной защитой, которую затем доставили в НИИАР. Параллельно, на реакторе СМ-3 велась подготовка к оснащению нейтринной лаборатории для проведения эксперимента. Благодаря этим работам нейтронный фон при работающем реакторе в месте расположения нейтринного детектора был снижен более чем в 100 раз. В Курчатовском Институте НИЦ КИ (Москва) была подготовлена так называемая активная защита. Очень важный вклад в эксперимент внесён Отделом Радиоэлектроники ОФВЭ ПИЯФ, который предоставил самую современную электронную аппаратуру. Основные части экспериментальной установки и пассивная защита детектора были изготовлены также в ПИЯФ - в цехе экспериментального и технологического оборудования.

Чем же так занимательна частица «нейтрино» и что такое нейтрино стерильное? Нейтрино – уменьшительное от «нейтрон» – легчайшая элементарная нейтральная частица из класса лептонов. Известны 3 типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Возможные превращения нейтрино из одного вида в другой носят название нейтринных осцилляций. Для всех трех «обычных» типов нейтрино именно слабое взаимодействие, в которое они вступают, является значимым, слабее выражено гравитационное, а сильное ими и вовсе игнорируется.

Слабое взаимодействие настолько мало, что в результате нейтрино может пролететь через вещество расстояние в сотни световых лет, ни разу не вступив во взаимодействие. Через наши тела в секунду пролетают многие миллионы нейтрино безо всякого эффекта. А если у нового нейтрино четвертого типа и эта возможность взаимодействия отсутствует, это делает его практически не обнаруживаемой частицей-призраком, отчего и принято называть ее «стерильной». Однако судить о существовании стерильного нейтрино можно лишь по факту исчезновения и появления обычного нейтрино в процессе осцилляций.

Существование стерильного нейтрино не укладывается в параметры стандартной модели, и для объяснения её потребуется переосмысление господствующей на сегодняшний день физической теории. Возможно, что стерильное нейтрино является частицей темной материи, а её существование связано с одной из фундаментальных асимметрий нашего мира: барионной асимметрии Вселенной.

Эксперименты для поиска доказательства нейтринных осцилляций первых трех типов были предложены еще Б.М. Понтекорво. Он же предполагал, что возможны осцилляции в стерильные нейтрино. Сейчас появились некоторые косвенные указания на существование стерильного нейтрино.

Для экспериментов на исчезновение нейтрино лучше использовать в качестве источника реакторные нейтрино, а для экспериментов на появление других типов нейтрино – нейтринные пучки, генерируемые на ускорителях

В работе группы А.П. Сереброва была изучена возможность постановки новых экспериментов на исследовательских реакторах России. Именно исследовательские реакторы обладают необходимой компактной активной зоной, являющейся, помимо прочего, очень интенсивным источником антинейтрино. В задаче поиска стерильных нейтрино было важно разместить нейтринный детектор как можно ближе к источнику. Наилучшие условия для проведения эксперимента по поиску нейтринных осцилляций на коротких расстояниях оказались на реакторе СМ-3 в силу некоторых особенностей его конструкции.

Для подготовки к эксперименту были проведены экспериментальные исследования на модели детектора «Нейтрино-4» на реакторе ВВР-М. Задачей данного эксперимента являлась регистрация нейтрино от реактора в условиях значительного фона космического излучения на поверхности Земли, а также в условиях нейтронного и гамма фона в экспериментальном зале исследовательского реактора. Этот эксперимент должен был измерить отношение сигнал фон на реакторе ВВР-М и исследовать принципиальную возможность постановки такого эксперимента на реакторе СМ-3, сравнивая фоновые условия. Такая возможность была показана, и исследования модели нейтринного детектора были перенесены на реактор СМ-3, где к этому времени было подготовлено помещение нейтринной лаборатории и осуществлена пассивная защита детектора. На фотографиях нейтринной лаборатории можно видеть нейтринный канал снаружи и изнутри и детектор на передвижной платформе.

В создаваемой совместной нейтринной лаборатории ПИЯФ НИЦ КИ и НИИАР уже получены первые результаты эксперимента на модели детектора «НЕЙТРИНО-4», - антинейтрино от реактора СМ-3 регистрируются! Так что, уже сегодня чувствуется «нейтринное дыхание» реактора СМ-3 – по меткому выражению Анатолия Павловича Сереброва. Но на пути создания полномасштабного детектора «НЕЙТРИНО-4» ещё много работы по улучшению его чувствительности и исключению фоновых процессов, связанных с регистрацией быстрых нейтронов от космического излучения. Важно заметить, что в проводимом в НИИАР эксперименте нейтринный поток измеряется в достаточно широком диапазоне расстояний – от 6-ти до 12-ти метров, а это позволяет получать наиболее полные и точные сведения.

Сегодня ряд мировых научных центров проводит подобные эксперименты. Интерес к этой тематике особенно возрос после 2011 года, когда французские физики заявили о возможном дефиците реакторных антинейтрино на коротких расстояниях от реактора.

Эксперимент «Нейтрино-4» не может не вызывать интерес со стороны всего научного сообщества, ведь нейтрино сейчас - наименее изученная элементарная частица. Предположение о существовании 4-го вида нейтрино - стерильного – является очень интересным и может оказаться справедливым! Если проводимые исследования докажут, что стерильные нейтрино существуют, тогда привычная картина первооснов нашего мира претерпит существенные изменения.

Статья подготовлена по материалам, предоставленным А.П. Серебровым и статьи, опубликованной в газете атомной отрасли «Страна РОСАТОМ» №22

Гатчинская правда, № 74 (20518) от 8 июля

Читайте также