Результаты международного эксперимента физики элементарных частиц по изучению осцилляций нейтрино коллаборации Daya Bay подтвердили расчёты сотрудников Курчатовского института.

В мире элементарных частиц существует загадочное явление — «реакторная антинейтринная аномалия», породившая множество гипотез и экспериментов. При изучении антинейтрино (элементарных частиц, возникающих при распаде ядер атомов в ядерных реакторах) учёные сталкиваются с неожиданным явлением — дефицитом событий относительно предсказаний различных моделей. Иными словами, в эксперименте регистрируется меньше антинейтрино, чем «должно быть» по расчётам.

В НИЦ «Курчатовский институт» нашли объяснение этому загадочному эффекту. При бета-распаде возникает одно электронное антинейтрино и один бета-электрон. В реакторных нейтринных экспериментах измеряют потоки антинейтрино, образующихся в результате бета-распадов продуктов деления. А эксперимент, проведённый в Курчатовском институте на установке «Бета» на реакторе ИР-8, был направлен на измерение числа бета-электронов.

Комментирует Даниэль Попов, младший научный сотрудник отделения физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт»: «В идеальном случае, если бы мы одновременно и точно измеряли антинейтрино и бета-электроны от одного бета-распада, показания детекторов должны были бы совпадать. Однако в реальности электроны более „охотно“ взаимодействуют с детектором, что упрощает их обнаружение. Поскольку антинейтрино и бета-электрон в результате бета-распада всегда образуются вместе, их характеристики тесно связаны друг с другом. Если есть „дефицит“ антинейтрино, то должен быть и „дефицит“ бета-электронов — в противном случае это могло бы указывать на какие-либо проявления новой физики. Таким образом, измерив в лабораторных условиях характеристики бета-электронов, можно получить характеристики антинейтрино.

В нашем случае это и было сделано: по данным первого цикла измерений бета-электронов продуктов деления урана и плутония мы построили модель реакторных антинейтрино КИ. Наша установка уникальна, никто в мире сегодня не занимается подобными работами. А поскольку наша модель не предсказывает реакторной аномалии, она лучше других на сегодняшний день описывает результаты реакторных нейтринных экспериментов и активно обсуждается в мировой литературе».

Осцилляции нейтрино изучают в масштабном международном эксперименте Daya Bay (проводится на АЭС Даяван (КНР), в коллаборации участвуют учёные из Китая, России, США и других стран). Эксперимент собрал около 4,7 миллиона событий, то есть взаимодействий частиц. Чтобы проверить точность данных, исследователи сравнили их с прогнозами, сделанными на основе различных теоретических моделей. Оказалось, что результаты эксперимента Daya Bay согласуются с предсказаниями модели Курчатовского института.

«Нейтринный метод универсален, применим не только для энергетических реакторов ВВЭР, но и для ядерных объектов других типов, в основе которых лежит реакция деления — в частности, для реакторов на быстрых нейтронах, реакторов на расплавах солей, для маломощных плавучих атомных энергоблоков. Чем лучше мы понимаем свойства и взаимодействия антинейтрино с веществом, тем точнее и надёжнее будет работать нейтринный метод контроля ядерных объектов атомной отрасли», — отметил Даниэль Попов.

Физика реакторных антинейтрино — область, где фундаментальные исследования пересекаются с практикой. Ещё в 1980-е годы в Курчатовском институте Лев Микаэлян предложил использовать антинейтрино для удалённого, независимого мониторинга работы ядерных реакторов. Антинейтрино, возникающие в процессе работы реактора, содержат информацию о его тепловой мощности, составе ядерного топлива и конструкции активной зоны. Эти частицы легко покидают активную зону реактора и могут быть зарегистрированы специальными детекторами даже на значительном расстоянии от АЭС.

Сегодня НИЦ «Курчатовский институт» занимает лидирующие позиции в изучении нейтрино. Исследования Центра позволили сформировать новое научное направление — прикладную физику реакторных антинейтрино. Впервые в мировой практике на атомных электростанциях были проведены эксперименты, демонстрирующие потенциал этой технологии для повышения безопасности и эффективности атомной энергетики.

В 2022 году учёные Центра Михаил Скорохватов и Владимир Копейкин были удостоены Государственной премии РФ в области науки и технологий за разработку метода дистанционного измерения ключевых параметров атомных реакторов с помощью реакторных антинейтрино.

Источник: Курчатовский институт.