Большой коллектив ученых с участием исследователей МФТИ и ФИАН, работающий в эксперименте DANSS, расположенном на Калининской АЭС (КАЭС), использовал реакторные антинейтрино для получения информации о мощности реактора и содержании топлива в его активной зоне. Сравнение традиционных методов определения мощности с совершенно другим подходом, основанным на потоке антинейтрино, не только является подтверждением стабильности работы детектора, но и важно для контроля за работой реактора. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physics Letters B.
DANSS (Detector of AntiNeutrino based on Solid Scintillator) — реакторный эксперимент мирового уровня, нацеленный на поиск осцилляций реакторных антинейтрино в стерильное состояние. Стерильные нейтрино — это гипотетический четвертый вид нейтрино, взаимодействующий с частицами Стандартной Модели только путем осцилляций в другие три состояния. Гипотеза стерильного нейтрино была предложена для объяснения ряда аномалий в нейтринной физике, и сегодня поиск стерильного нейтрино — одна из самых актуальных задач в физике нейтрино.
В эксперименте DANSS активно участвуют сотрудники и студенты кафедры фундаментальных взаимодействий и физики элементарных частиц ЛФИ МФТИ и лаборатории тяжелых кварков и лептонов ФИАН под руководством академика РАН Михаила Данилова, а также их коллеги из ОИЯИ, НИЦ КИ — ККТЭФ и других научных центров и университетов.
Чувствительный объем DANSS состоит из 2500 сцинтилляционных счетчиков, позволяющих восстанавливать трехмерную структуру событий. Сцинтиллятор — материал, в котором при пролете заряженных частиц выделяется свет. Благодаря близкому расположению к реактору, защите и используемым алгоритмам отбора событий физикам удается отбирать до 5000 событий в день, что является мировым рекордом среди нейтринных экспериментов. Детектор установлен под ядром реактора на Калининской АЭС на движущейся платформе, позволяющей менять расстояние от центра детектора до центра реактора в пределах примерно от 11 до 13 м.
Изображение чувствительного объема и защиты детектора в разрезе.
Возможности практического использования нейтрино, в том числе для мониторинга состояния реактора, ранее рассматривались учеными. Впервые они были предложены советским физиком Михаилом Тер-Микаеляном и его коллегами в 1978 году. Участники коллаборации DANSS блестяще продемонстрировали эти возможности на практике.
В своей работе ученые проанализировали данные за 7 лет наблюдений. Оказалось, что измерения мощности реактора с использованием потока антинейтрино очень точно согласуются с традиционными методами, хотя они основаны на совершенно других физических процессах.
Измерение мощности реактора традиционными методами и с помощью потока антинейтрино (вверху); соотношение двух измерений (внизу), показывающее, что измерения совпадают с точностью около 1%. Источник: Physics Letters B
Также ученые определили доли деления изотопов 235U и 239Pu на основании измеренного спектра антинейтрино. Они с точностью лучше 3% согласуются с результатами, полученными традиционным методом — моделированием потока нейтронов внутри реактора. Несмотря на кардинальные различия в двух подходах, использующих совершенно разные данные и оборудование, ученым удалось получить отличное соответствие между ними, тем самым убедившись в их достоверности.
«В ходе работы нам удалось провести измерение мощности реактора и долей деления основных изотопов и получить результаты, согласующиеся с традиционными методами, используемыми на Калининской АЭС. Такие исследования представляют большой интерес с точки зрения радиационной безопасности и контроля за нераспространением ядерного оружия. В этой работе очень важную роль сыграли ученые из МФТИ, ФИАНа и ИТЭФа (НИЦ КИ), а именно сотрудники и студенты кафедры фундаментальных взаимодействий и физики элементарных частиц», — рассказывает Петр Горовцов, один из авторов исследования, участник коллаборации DANSS и выпускник кафедры фундаментальных взаимодействий и физики элементарных частиц ЛФИ МФТИ.
Выполненная работа — это большой вклад в будущие исследования в области фундаментальной физики на реакторах. Также она имеет прикладное значение: методы ученых могут использоваться для анализа характеристик реактора и улучшения его работы, а также могут найти применение в разработке научно обоснованных мер по контролю за нераспространением ядерного оружия.
Эксперимент DANSS продолжает набирать данные, прямо сейчас готовится к модернизации, и ученые готовы предложить студентам кафедры фундаментальных взаимодействий и физики элементарных частиц, а также тем студентам, кого привлекает тематика нейтринных экспериментов, интересные проекты и темы выпускных квалификационных работ, связанные с поиском стерильных нейтрино и другими задачами, основанными на данных установки DANSS.
Участники коллаборации DANSS
