В России готовится к запуску эксперимент РЭД-100 по исследованию упругого когерентного рассеяния нейтрино (УКРН) на ядрах тяжелых атомов ксенона (Xe). В ноябре оборудование было доставлено к месту проведения эксперимента — на Калининскую АЭС. Ранее в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» (Москва, Россия) в онлайн-формате прошла международная конференция по физике элементарных частиц и астрофизике, где сообщалось о наблюдении УКРН на атомах аргона (Аr).
Процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах атомов был предсказан советскими и американскими учёными в 1974 году в рамках Стандартной модели электрослабых и сильных взаимодействий элементарных частиц.
В 2017 году для регистрации и исследования процесса УКРН была создана международная коллаборация COHERENT. Со стороны России в коллаборацию вошли научные группы из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» и Института теоретической и экспериментальной физики имени Алиханова.
Как рассказал один из российских участников коллаборации COHERENT, сотрудник Лаборатории экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ Александр Кумпан:
«Ключевым результатом, полученным в 2020 году, является первая регистрация УКРН на ядрах аргона. В настоящий момент 40Ar — самый легкий элемент, на котором зарегистрировано УКРН».
Согласно рассказу ученого, УКРН зарегистрировано с помощью сцинтилляционного детектора на жидком аргоне CENNS-10. Детектор установлен в Нейтринной Аллее комплекса (SNS (Spallation Neutron Source)) Ок-Риджской национальной лаборатории.
Сегодня SNS — это самый интенсивный ускорительный импульсный источник нейтронов в мире.
Уникальным преимуществом коллаборации COHERENT является использование сильноточного ускорителя. Ученым известны энергии рождающихся нейтрино и момент времени, когда они теоретически должны начать взаимодействие с мишенью детектора.
Стандартная модель предсказывает пропорциональность вероятности протекания процесса УКРН квадрату количества нейтронов в ядре атома-мишени. Предсказания Стандартной модели подтверждены результатами экспериментов коллаборации в пределах погрешности.
По словам Александра Кумпана, «процесс когерентного рассеяния нейтрино очень важен с научной точки зрения, так как представляет собой новый и независимый канал как для уточнения известной физики, так и для поисков новой».
Например, знание процесса УКРН имеет важное значение для изучения процесса рождения сверхновых звезд. УКРН — это один из основных процессов, происходящих при рождении сверхновых и играет большую роль при коллапсе нейтронных звезд, так как около 99% энергии, выделяющейся при рождении сверхновой звезды уносится нейтрино.
Также упругое когерентное рассеяние солнечных нейтрино на ядрах мишени станет основным фоном для следующего поколения детекторов по поиску темной материи в виде массивных слабо взаимодействующих частиц (WIMP).
Уникальным является тот факт, что у УКРН, в отличии от многих других процессов с участием элементарных частиц, есть и прямое практическое применение — мониторинг состояния ядерных реакторов посредством анализа потока нейтринного излучения. Современные детекторы нейтрино — это многотонные сооружения, сравнимые по размеру с реакторами АЭС. Использование эффекта УКРН позволит создавать компактные мобильные установки, которые можно размещать недалеко от реактора и независимо от технологических процессов управления реактором следить за состоянием его активной зоны, включая контроль за изменением изотопного состава топлива в процессе работы реактора.
С июля 2017 года по декабрь 2018 года проводился первый физический сеанс с жидким аргоном в качестве нейтринной мишени. Обработка данных проводилась независимо двумя группами ученых в США и России. Результаты обработки данных обеими группами позволили сделать заключение об первой успешной регистрации УКРН детектором на жидком аргоне.
В настоящий момент детектор CENNS-10 продолжает набирать данные для получения более точного значения величины сечения взаимодействия нейтрино с ядром Ar в рамках УКРН. Кроме того, для более точного исследования процесса УКРН ведется разработка детектора CENNS-750 с массой жидкого аргона порядка тонны.