Привиди, як єдинороги та снігові люди, були науково спростовані, але привиди все ж існують – в певному сенсі.

Надзвичайно невловимі нейтрино та їхні антипартнери, антинейтрино, відомі як привидні частинки, оскільки вони майже ніколи не взаємодіють з матерією через відсутність електричного заряду та майже незначну масу.

Проте ці фантомні основні частинки можуть допомогти покращити ядерну безпеку, надаючи неінвазивний спосіб дослідження процесів всередині ядерних реакторів, включаючи спектральний потік антинейтрино після вимкнення електростанції.

Нещодавно фізики вперше виміряли це залишкове випромінювання, виявивши тьмяне, таємниче світло електронних антинейтрино, що виходить з темряви сплячих ядерних реакторів у Франції.

Дослідження, проведене фізиками з Інституту ядерної фізики Макса Планка (MPIK), підтвердило передбачений потік, що виходить з витраченого пального в двох реакторах, а також з видалених відходів, розміщених у охолоджувальних басейнах. Цей потік теоретично обмежений, але ніколи не вимірювався.

"Досі експерименти з антинейтрино в реакторах в основному зосереджувалися на працюючих реакторах, де потік антинейтрино значно більший", – говорить Антоні Оньйон, фізик з MPIK і один з керівників дослідження.

"Виявлення маленького залишкового сигналу після зупинки вимагало надзвичайно низького фону та ретельних аналітичних методів, розроблених співпрацею Double Chooz протягом багатьох років".

Експеримент Double Chooz працював з 2011 по 2017 рік, досліджуючи величезну кількість антинейтрино, що виробляються на ядерній електростанції Чуоз на півночі Франції.

Double Chooz використовував два підземні детектори на середніх відстанях 400 метрів (близько 1300 футів) і 1050 метрів (близько 3400 футів) від двох працюючих реакторів електростанції для вивчення дивної властивості, яка не підлягає розумінню в макроскопічному світі.

Нейтрино та антинейтрино змінюють свій тип під час подорожі, через процес, відомий як осциляція.

Це схоже на купівлю шоколадного морозива, яке перетворюється на ванільне, а потім на полуничне, коли воно переходить з магазину додому до миски, пояснюють фізики Фермілаб.

Але фізики не можуть насправді "побачити" антинейтрино; вони можуть лише виявити їх існування на основі їх взаємодії з іншими частинками в делікатно спроектованих детекторах.

"Антинейтрино взаємодіють лише надзвичайно рідко з матерією", – пояснює Тьєррі Лассер, фізик з MPIK.

"Однак, коли одне взаємодіє в детекторі Double Chooz, виникає характерний подвійний світловий сигнал, який можна відрізнити від фонових подій".

Коли нейтрино або антинейтрино проходить через детектор Double Chooz, воно іноді зіткнеться з протоном у "рідкому сцинтиляторі" в внутрішній камері детектора.

Це зіткнення генерує нейтрон і позитрон, антиматеріальну частинку електрона. Позитрон миттєво знищує навколишній електрон, генеруючи спалах світла, що полегшує виявлення.

Нейтрон захоплюється гадолінієм, рідкісним металом, що міститься в сцинтиляторі, що виробляє другий спалах світла для підтвердження події антинейтрино.

Цю подію називають зворотним бета-розпадом (IBD), і вона відбувається часто в реакторах під час поділу елементів, таких як уран і плутоній. Це найбільше джерело антинеутрино, створених людиною, і відстеження цього потоку може бути безцінним для покращення ядерної безпеки.

У дослідженні дослідники спостерігали надлишок подій IBD у енергетичному діапазоні, де, ймовірно, пікове значення залишкового випромінювання.

Протягом 17,2 днів спостереження, під час яких обидва реактори Чуоз були вимкнені, дослідники виявили "дуже хорошу відповідність" між виміряними та очікуваними подіями антинейтрино – зокрема, 106 ±18 виміряних подій у порівнянні з 88 ±7 прогнозованими подіями. Це може становити менше 1% сигналу потоку під час роботи реактора.

Точність цієї техніки все ще можна покращити. Вона чутлива до великих змін у потоці, але, можливо, не зможе виявити, якщо, скажімо, кілька витрачених паливних елементів зникли, зазначають дослідники.

Проте в цілому ця робота слугує безцінним доказом концепції для прямих, неінвазивних ядерних випробувань, щоб потенційно інформувати майбутні стандарти ядерної безпеки.

Це дослідження було опубліковане в Physical Review Letters.