Поймать неуловимую частицу

Атомные станции участвуют в исследованиях физики нейтрино

Сквозь тело человека за секунду пролетает около 100 трлн нейтрино, и он этого даже не замечает (нейтрино, впрочем, тоже). Современные ученые считают, что нейтрино поможет нам понять устройство Вселенной и фундаментальные физические законы. Это одна из самых распространенных частиц, но несмотря на это, ее крайне трудно уловить, частица обладает очень малой массой и очень слабо взаимодействует с веществом, поэтому для изучения свойств нейтрино создается специальное высокоточное оборудование. Исследования проходят в том числе на двух российских АЭС.

Нововоронежская АЭС

По инициативе Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) и Воронежского государственного университета ученые-физики совместно с сотрудниками отдела ядерной безопасности и надежности и цеха тепловой автоматики и измерений НВАЭС изучают нейтринное излучение на шестом энергоблоке атомной станции. Напомним, это самый первый энергоблок, построенный по проекту ВВЭР-1200.

На первом этапе, который занял почти два года и начался в 2020 году, группа экспертов измеряла фоновые условия в помещениях атомной станции, чтобы выбрать оптимальные места для проведения второго этапа проекта. Далее на выбранных точках будут установлены высокочувствительные детекторы для измерения потока нейтрино, бета-, гамма- и нейтронного фонов. В ходе исследований на Нововоронежской АЭС будет создана исследовательская установка мирового уровня. Она поможет найти ответы на важные вопросы фундаментальной и ядерной физики.

Стоит отметить, что площадка НВАЭС была выбрана не случайно. Именно она признана самой привлекательной после изучения фоновых условий на объектах как в России (в Дубне), так и во Франции (в Лионе, Гренобле и Модане).

Калининская АЭС

На Калининской станции проходят несколько исследований в области физики нейтрино. Три из них проводятся объединенной командой ИТЭФ и ОИЯИ.

На втором энергоблоке проводится эксперимент по определению магнитного момента нейтрино. В качестве спектрометра используется низкофоновый детектор из сверхчистого германия, эксперимент получил название GEMMA. Определение магнитного момента нейтрино поможет ответить на вопрос, является ли нейтрино майорановской частицей (т.е. тождественны ли нейтрино и антинейтрино), а также укажет на верхнюю энергетическую границу применения Стандартной модели, выше которой нас ждет новая, неизвестная Физика.

На третьем энергоблоке проводится эксперимент vGeN, который является продолжением проектов GEMMA, но, кроме поисков магнитного момента нейтрино, он нацелен на изучение упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах вещества. В эксперименте используется низкофоновый низкопороговый детектор HPGe.

На четвертом энергоблоке установлен детектор проекта DANSS, цель эксперимента — изучение осцилляций нейтрино, т.е. превращение одной разновидности нейтрино в другую или антинейтрино. Этот эффект позволит обнаружить частицы, которые не участвуют ни в каких взаимодействиях, в том числе в слабом (такие частицы называются стерильными). Кроме того, DANSS обладает рекордной в мире скоростью счета обычных нейтрино, что позволяет регистрировать потоки нейтрино и дает удаленный доступ к контролю за процессами, происходящими в активной зоне. Изучение изотопного состава активной зоны поможет прогнозировать и предотвращать нештатные ситуации при эксплуатации реактора. В будущем на основе этих исследований можно будет создать мобильную установку, которая позволит проводить контроль, находясь вне территории атомной станции.

На третьем энергоблоке установлен детектор iDream, разработанный Курчатовским институтом, это первый прототип нейтринного детектора с чувствительной массой 1 тонна, спроектированный для мониторирования режимов работы реактора по нейтронному излучению из активной зоны. Так же, как в DANSS, для регистрации нейтрино используется реакция обратного бета-распада, при которой на фотоумножителях регистрируются сразу два сигнала: быстрый, соответствующий поглощению позитрона, и задержанный, соответствующий поглощению замедленного нейтрона.

В начале 2022 года на четвертом энергоблоке завершены испытания первого в мире двухфазного эмиссионного детектора РЭД-100, разработанного и построенного в НИЯУ МИФИ. Фундаментальной целью эксперимента является изучение когерентного упругого рассеяния нейтрино на ксеноне.