Eksperyment, który dostarczył przełomowych informacji, obył się przy elektrowni jądrowej Chooz w północnej Francji. W znajdującym się około 400 metrów od reaktorów podziemnym detektorze Double Chooz naukowcy wykryli cząstki pochodzące z okresu, w którym oba reaktory były całkowicie wyłączone.
Czytaj też: Chińczycy odnaleźli długo poszukiwaną cząstkę. Ogłosili przełom w fizyce cząstek elementarnych
Ale czym w ogóle są antyneutrina? Powstają one w ogromnych ilościach podczas rozszczepienia jąder atomowych. Są jednak niezwykle trudne do wykrycia, ponieważ bardzo rzadko oddziałują z materią. Większość z nich przechodzi przez ściany reaktora, warstwy osłon, a nawet skały znajdujące się pod ziemią, praktycznie bez przeszkód. Ta wyjątkowa właściwość sprawia jednocześnie, iż antyneutrina mogą stać się bardzo użytecznym narzędziem do obserwowania tego, co dzieje się we wnętrzu instalacji jądrowych.
Po wyłączeniu reaktora reakcja łańcuchowa ustaje, a intensywność emisji antyneutrin gwałtownie spada. Nie zanika jednak całkowicie. W paliwie pozostają bowiem produkty rozszczepienia, z których część jest promieniotwórcza i rozpada się przez długi czas. Proces ten może trwać miesiącami, a w niektórych przypadkach nawet latami. W jego wyniku powstaje słaby, lecz możliwy do zmierzenia strumień antyneutrin.
Podczas obserwacji prowadzonej przez 17 dni, gdy oba reaktory były wyłączone, detektor Double Chooz zarejestrował 106 kandydatów na zdarzenia związane z antyneutrinami. Nie były to przypadkowe sygnały. Ich liczba okazała się zgodna z przewidywaniami modeli opisujących rozpad długookresowych produktów rozszczepienia. Symulacje przewidywały 88 zdarzeń, z odpowiednim marginesem niepewności.
Samo potwierdzenie istnienia słabej poświaty po pracującym reaktorze to tylko jedna strona medalu. Znacznie ważniejszy pozostaje fakt, iż antyneutrina mogą w przyszłości dostarczać informacji o stanie reaktora nawet wtedy, gdy instalacja jest wyłączona. Szczególnie interesujące jest to z punktu widzenia monitorowania wypalonego paliwa jądrowego. Po wyjęciu z reaktora paliwo trafia do basenów chłodzących, gdzie nadal zachodzą procesy promieniotwórcze. Emitowane przez nie antyneutrina mogą stanowić dodatkowe źródło informacji o ilości i stanie przechowywanego materiału.
Czytaj też: Fizycy rozwiązali zagadkę mionu. Teraz mają kolejny problem
To właśnie zdolność antyneutrin do przenikania przez materię jest tutaj kluczowa. W przeciwieństwie do wielu innych sygnałów związanych z pracą instalacji jądrowej nie można ich po prostu zatrzymać za pomocą ścian, betonu czy innych osłon. Detektor znajdujący się odpowiednio blisko reaktora może więc potencjalnie uzyskiwać informacje bez bezpośredniego dostępu do jego wnętrza. Co ciekawe, eksperyment Double Chooz miał pierwotnie służyć do badania oscylacji neutrin, czyli zjawiska, w którym cząstki te zmieniają swój rodzaj podczas przemieszczania się. Teraz zgromadzone dane posłużyły do zbadania znacznie słabszego sygnału powstającego po wyłączeniu reaktorów.
Jego wykrycie było możliwe dzięki zastosowaniu bardzo czułego detektora zawierającego ponad 30 metrów sześciennych ciekłego scyntylatora. Gdy antyneutrino oddziałuje z materią wewnątrz urządzenia, powstaje charakterystyczna para błysków światła. Odpowiednie rozpoznanie tych zdarzeń pozwala oddzielić je od naturalnego promieniowania, promieniowania kosmicznego oraz innych źródeł tła. Naukowcy podsumowują, że dotychczas eksperymenty tego rodzaju koncentrowały się przede wszystkim na pracujących reaktorach, ponieważ emitują one znacznie więcej antyneutrin. Rejestracja sygnału po ich wyłączeniu była znacznie trudniejsza i wymagała bardzo niskiego poziomu tła oraz precyzyjnej analizy danych.
Źródło: Physical Review Letters
