Spookachtige gloed van een kerncentrale gedetecteerd in ongerept water, 240 kilometer verderop: ScienceAlert

In 2018 flitste een reservoir met het zuiverste water, begraven onder kilometers rots in Ontario, Canada, terwijl nauwelijks waarneembare deeltjes door de moleculen heen botsten.

Het was de eerste keer dat water werd gebruikt om een ​​deeltje te detecteren dat bekend staat als een antineutrino en dat afkomstig was uit een kernreactor op meer dan 240 kilometer afstand. Dit is een geweldige doorbraak Neutrino Experimenten en observatietechnologie waarbij gebruik wordt gemaakt van goedkope, veilige en gemakkelijk verkrijgbare materialen.

Als een van de meest voorkomende deeltjes in het universum, Neutrino’s Het zijn vreemde kleine dingen met een groot potentieel om diepere inzichten in het universum te onthullen. Helaas zijn ze vrijwel massaloos, hebben ze geen lading en hebben ze nauwelijks interactie met andere deeltjes. Ze stromen meestal door de ruimte en door rotsen, alsof alle materie immaterieel is. Er is een reden waarom ze spookdeeltjes worden genoemd.

Antineutrino’s zijn de deeltjestegenhanger van antineutrino’s. Normaal gesproken heeft een antideeltje een tegengestelde lading dan zijn equivalente deeltje; Het antideeltje van een negatief geladen elektron is bijvoorbeeld een positief geladen positron. Omdat neutrino’s geen lading hebben, kunnen alleen wetenschappers onderscheid maken tussen deze twee Gebaseerd op de waarheid Het elektronenneutrino zal samen met het positron ontstaan, terwijl het elektronenneutrino samen met het elektron zal ontstaan.

Elektronen-antineutrino’s uitstoten Tijdens nucleair bèta-verval, een soort radioactief verval waarbij een neutron vervalt in een proton, een elektron en een antineutrino. Een elektron-antineutrino kan vervolgens interageren met een proton om een ​​positron en een neutron te produceren, een reactie die bekend staat als omkeerbaar bèta-verval.

Om dit soort ontbinding te detecteren, worden grote tanks gevuld met vloeistoffen en bekleed met fotomultiplicatorbuizen gebruikt. Ze zijn ontworpen om de zwakke gloed van te vangen Tsjerenkov-straling Ze worden veroorzaakt door geladen deeltjes die sneller bewegen dan licht door een vloeistof kan reizen, vergelijkbaar met de sonische dreun die wordt veroorzaakt door het doorbreken van een geluidsbarrière. Ze zijn dus erg gevoelig voor zeer zwak licht.

Antineutrino’s worden in grote hoeveelheden geproduceerd door kernreactoren, maar ze hebben een relatief lage energiewaarde, waardoor ze moeilijk te detecteren zijn.

Hij komt binnen Sneeuw +. Het ligt begraven onder meer dan 2 kilometer rots en is het diepste ondergrondse laboratorium ter wereld. Deze rotsafscherming vormt een effectieve barrière tegen interferentie van kosmische straling, waardoor wetenschappers uitzonderlijk goed opgeloste signalen kunnen verkrijgen.

Tegenwoordig is de bolvormige tank van 780 ton van het laboratorium gevuld met lineair alkylbenzeen, een vloeibare scintillator die licht versterkt. In 2018, terwijl de faciliteit werd gekalibreerd, werd deze gevuld met ultrazuiver water.

Door te kijken naar gegevens die gedurende 190 dagen tijdens de kalibratiefase in 2018 waren verzameld, vond de SNO+-samenwerking bewijs van omgekeerd bèta-verval. Het neutron dat tijdens dit proces wordt geproduceerd, wordt opgevangen door de waterstofkern in het water, die op zijn beurt een zachte lichtgloed produceert met een zeer specifiek energieniveau, 2,2 MeV.

Cherenkov-waterdetectoren hebben over het algemeen moeite met het detecteren van signalen onder 3 MeV; Maar de met water gevulde SNO+ kon tot 1,4 MeV detecteren. Dit resulteert in een efficiëntie van ongeveer 50% voor het detecteren van signalen bij 2,2 MeV, dus het team dacht dat het de moeite waard zou zijn om te zoeken naar tekenen van omgekeerd bèta-verval.

Analyse van het kandidaatsignaal wees uit dat het waarschijnlijk werd geproduceerd door een antineutrino, met een betrouwbaarheidsniveau van 3 sigma – een waarschijnlijkheid van 99,7%.

Het resultaat suggereert dat waterdetectoren kunnen worden gebruikt om de energieproductie in kernreactoren te monitoren.

Ondertussen wordt SNO+ gebruikt om neutrino’s en antineutrino’s beter te begrijpen. Omdat neutrino’s bestaan Het is onmogelijk om dit direct te metenWij Ik weet niet veel over hen. Een van de grootste vragen is of neutrino’s en antineutrino’s precies hetzelfde deeltje zijn. Een zeldzaam, nooit eerder gezien verval zal deze vraag beantwoorden. SNO+ doet momenteel onderzoek naar dit verval.

“Het is interessant dat zuiver water kan worden gebruikt om antineutrino’s uit reactoren en op zulke grote afstanden te meten.” zei natuurkundige Logan Lipanowski Van de SNO+-samenwerking en de University of California, Berkeley, in maart 2023.

“We hebben veel moeite gedaan om een ​​klein aantal signalen uit 190 dagen aan gegevens te halen. Het resultaat was bevredigend.”

Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.

Een versie van dit artikel werd voor het eerst gepubliceerd in april 2023.