Физики поймали "частицы-призраки" при рекордно низких энергиях, используя ядерный реактор

Исследователи из коллаборации CONUS+ в Швейцарии установили новый рекорд в изучении нейтрино – неуловимых элементарных частиц, которые заслужили прозвище "частицы-призраки" из-за их удивительной способности проходить сквозь материю практически без взаимодействия.

В статье, опубликованной в журнале Nature, ученые сообщают о регистрации антинейтрино при самых низких энергетических уровнях из когда-либо зафиксированных. Через наши тела каждую секунду проходит около 100 триллионов нейтрино, но они настолько слабо взаимодействуют с материей, что мы никогда их не замечаем.

Эксперимент проводился на ядерном реакторе в Лейбштадте, где ученые установили детектор, улавливающий сигналы от энергии отдачи, возникающей когда антинейтрино отскакивают от атомного ядра. Так как материя и антиматерия имеют схожие фундаментальные свойства, те же измерения можно использовать для характеристики энергетических уровней нейтрино.

Главная особенность детектора – его компактные размеры. Он весит всего 3 килограмма, что ничтожно мало по сравнению с типичными нейтринными детекторами весом в тонны. Такой размер открывает возможности для более мобильных исследований нейтрино и атомных структур в целом.

Процесс, использованный учеными, называется когерентным упругим нейтрино-ядерным рассеянием (CEvNS) и был впервые предсказан в 1974 году. Физики предполагали, что этот метод должен обеспечивать в 100–1000 раз более высокие скорости взаимодействия по сравнению с традиционным подходом.

Кристиан Бак, соавтор исследования и физик из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге (Германия) говорит:

Это как крошечное нейтрино, дающее ядру легкий толчок, словно пинг-понговый шарик, ударяющий по автомобилю, и теперь нам нужно обнаружить движение автомобиля.

Для исследователей ядерный реактор служит бесплатным, точечным источником антинейтрино.

Реактор, подобный тому, что в Лейбштадте, испускает 10 в 21-й степени антинейтрино каждую секунду! Почти все они проходят сквозь материю без какого-либо эффекта (как призрак), но мы пытаемся поймать несколько из них в день.

Следующим важным шагом для CONUS+ станет повышение точности устройства и применение полученных результатов в практических приложениях. Уникальное расположение внутри ядерного реактора уже вызвало интерес крупных организаций, таких как Международное агентство по атомной энергии.

В принципе, такой детектор можно использовать для мониторинга тепловой мощности или эволюции реакторного топлива с течением времени. Мы сделали первый шаг... но, безусловно, впереди еще несколько лет и шагов, прежде чем технология будет готова для коммерческого применения.

Что еще важнее, новая техника потенциально может выявить явления, противоречащие нашим знаниям о Стандартной модели физики. Если это произойдет, это может быть намеком на то, что наше понимание неполно и что в игру вступают новые частицы или пока неизвестные взаимодействия.