Российские ученые разработали детектор для регистрации потока нейтрино

В МИФИ разработали детектор РЭД‑100 для регистрации поступающего от ядерного реактора потока нейтрино. Принцип действия основан на открытом три года назад упругом когерентном рассеянии. Прибор может на расстоянии проверить изотопный состав топлива в активной зоне и определить, не используют ли АЭС для наработки оружейного плутония.

Чего в реакторе не утаишь

Нейтрино обладают высокой проникающей способностью — ​легко проходят через бетонную защиту и оборудование. Детектор, регистрирующий потоки этих частиц, может контролировать процессы, происходящие в активной зоне, на расстоянии. То есть на основе разработки МИФИ можно сделать мобильный нейтринный детектор: подвезти его на грузовике к реакторному зданию и проверить режим эксплуатации.

Новинкой уже заинтересовалось МАГАТЭ, которое следит за исполнением международного Договора о нераспространении ядерного оружия. «С помощью приборов на базе РЭД‑100 сотрудники агентства могут наблюдать за работой блоков где-нибудь в Пакистане, не проникая на территорию АЭС», — ​отмечает Александр Болоздыня, заведующий лабораторией экспериментальной ядерной физики МИФИ.

Способ регистрации частиц с помощью двухфазного эмиссионного детектора был предложен учеными МИФИ примерно 50 лет назад. Во всем мире на этом принципе работают лишь несколько установок, занимающихся поиском темной материи. Все они расположены глубоко под землей, а российский эмиссионный детектор, РЭД-100, будет на поверхности. Кроме того, специалисты МИФИ — ​первые, кто использует эффект упругого когерентного рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах.

Нейтринный детектор в институте сконструировали в 2015 году. Тогда планировалось провести эксперимент на мощном ускорительном источнике нейтринного излучения Spallation Neutron Source (SNS) в Ок-Риджской национальной лаборатории США. Но планы изменились, и в исследованиях задействовали другой детектор. На нем в 2017 году впервые зарегистрировали упругое когерентное рассеяние нейтрино. Это явление в 1973 году предсказал американский физик Дэвид Фридман. Такое взаимодействие нейтрино с ядрами происходит гораздо чаще остальных. Однако зарегистрировать феномен долгие годы не удавалось. В экспериментах на ускорителе детекторы улавливают смесь трех типов нейтрино, так что детально разобраться в том, как происходит взаимодействие, было трудно. Испытания РЭД‑100 пройдут на реакторе, вырабатывающем нейтрино только одного вида — ​электронные. В феврале 2019 года ученые провели лабораторные испытания, впереди — ​установка прибора на Калининской АЭС для продолжения экспериментов.

«В случае успеха перед нами открывается перспектива создания удобных и эффективных средств независимого контроля состояния и изотопного состава активной зоны, который меняется в любом работающем реакторе. Работа имеет большое значение для повышения безопасности ядерной энергетики», — ​добавляет Александр Болоздыня.

Трое против Стандартной модели

РЭД‑100 станет не первым нейтринным детектором на Калининской АЭС. На станции развернуты три эксперимента: GEMMA на втором блоке, vGeN на третьем и DANSS на четвертом. Все проводят специалисты Объединенного института ядерных исследований.

GEMMA — ​проект по измерению магнитного момента, одного из самых малоизученных параметров антинейтрино. Согласно Стандартной модели, магнитный момент нейтрино очень мал, и измерить его пока не удалось. Другие теории предполагают, что магнитный момент может быть в несколько раз больше предсказанного. Цель многих нейтринных экспериментов, в том числе GEMMA, — ​измерить магнитный момент и доказать тем самым существование физики за пределами Стандартной модели. В качестве спектрометра в эксперименте используется детектор из германия, окруженный многослойной защитой от радиационного, нейтронного и космического излучения. Такая броня позволяет уменьшить фон внешних источников почти в 1 млн раз. Измерение ведется на расстоянии 14 м от реактора.

Эксперимент vGEN нацелен на регистрацию когерентного упругого рассеяния нейтрино и, как и GEMMA, магнитного момента. В эксперименте используются низкопороговые (около 200 эВ) низкофоновые германиевые детекторы на подвижной платформе, разработанные ОИЯИ в сотрудничестве с латвийской компанией Baltic Scientific Instruments. Измерение ведется на расстоянии 10–12 м от реактора. Измеряют когерентное рассеяние, сравнивая спектры, полученные во время работы и в период останова реактора, а также спектры, полученные на разном расстоянии от активной зоны.

Задача DANSS — ​поиск стерильных нейтрино. Все известные на сегодняшний день разновидности нейтрино слабо взаимодействуют с другими частицами. Эксперименты на ускорителях показали, что могут существовать другие, пока неизвестные разновидности, у которых даже слабое взаимодействие отсутствует. Такие частицы называют стерильными. Единственный эффект, по которому можно их обнаружить, — ​осцилляция (превращение в нейтрино другой разновидности или в антинейтрино). DANSS располагается на подвижной платформе на расстоянии 9,6–13,7 м от реактора. Для регистрации нейтрино используется реакция обратного бета-распада, при которой регистрируются сразу два сигнала: быстрый, соответствующий позитрону, и задержанный, соответствующий замедленному нейтрону.