На Калининской атомной электростанции (Тверская область, Россия) действует экспериментальная установка νGeN, созданная силами сотрудников Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ. Этот эксперимент направлен на поиск упругого когерентного рассеяния нейтрино, магнитного момента нейтрино и других редких процессов с помощью антинейтрино от атомного реактора.
Выявление магнитного момента нейтрино в эксперименте будет свидетельствовать об обнаружении Новой физики за пределами Стандартной модели и о майорановской природе массы нейтрино. Исследованию упругого когерентного рассеяния нейтрино (УКРН) на атомных ядрах в мире посвящены несколько экспериментов на атомных реакторах, однако еще ни один из них не смог его зарегистрировать. Обнаружение когерентного рассеяния нейтрино также откроет возможности как для фундаментальных исследований, таких как поиск нестандартных взаимодействий нейтрино, так и для прикладных применений: в частности, для мониторинга работы АЭС и контроля за нераспространением ядерного оружия.
Упругое когерентное рассеяние нейтрино на атомном ядре было предсказано около 50 лет назад в рамках Стандартной модели. При низких энергиях (менее 50 МэВ) нейтрино, упруго рассеиваясь на ядре, может взаимодействовать не с отдельными его нуклонами, а с ядром целиком (когерентно). Поиск УКРН в области полной когерентности производится на атомных реакторах, испускающих антинейтрино с энергиями менее 10 МэВ. Возникающее при этом ядро отдачи обладает энергией ниже нескольких кэВ, и поэтому для открытия данного явления необходимы очень чувствительные детекторы и низкий уровень фона. Поиску этих явлений в настоящее время посвящено большое количество экспериментов на атомных реакторах, однако еще ни один из них не смог их надежно зарегистрировать.
Экспериментальная установка νGeN расположена на Калининской атомной электростанции (КАЭС, Удомля, Тверская область, Россия) примерно в 300 километрах от Дубны. Установка νGeN находится под реактором мощностью 3,1 ГВт на расстоянии около 11 метров от центра активной зоны. Расположение спектрометра в непосредственной близости от активной зоны реактора позволяет оперировать гигантским потоком антинейтрино: ~ 5×1013 частиц на сантиметр квадратный в секунду, при этом материалы, окружающие реактор, соответствуют 50 метрам водного эквивалента и обеспечивают отличную защиту от фонового космического излучения.
«Установка была создана силами сотрудников Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Нам удалось договориться о размещении спектрометра на близком расстоянии к активной зоне реактора, что обычно сделать крайне сложно. Это обеспечивает больший поток нейтрино и лучший уровень сигнала, чем у наших конкурентов. Также у нашего эксперимента есть большое преимущество: установка расположена непосредственно под реактором, и конструктивные материалы реактора, например, специальные бассейны с водой, позволяют снизить поток космических частиц и, таким образом, уменьшить фон от нейтронов», — рассказал начальник сектора № 1 отдела НЭОЯСиРХ Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Алексей Лубашевский.
Слева: принципиальная схема защиты установки. Справа: фото медной защиты на этапе сборки установкиРегистрация событий осуществляется с помощью специального низкопорогового германиевого детектора высокой частоты. Со всех сторон детектор окружен многослойной защитой от внешнего радиоактивного излучения. Предусмотрена специальная защита для снижения влияния вибраций и шумов.
Первое сравнение данных, набранных при работающем и остановленном реакторе (94,5 и 47,1 суток соответственно) не выявило существенных различий в спектрах – эти различия свидетельствовали бы об обнаружении когерентного рассеяния нейтрино. Анализ данных позволил команде ОИЯИ поставить ограничение на важный параметр ионизационных потерь в материале германии на уровне k < 0,26.
В 2022 году был установлен специальный подъемный механизм, который позволяет приближать спектрометр ближе к реактору и оперировать большим потоком нейтрино, произведена модернизация системы набора данных и улучшен порог измерений. В настоящее время продолжается набор данных, планируется получить новые результаты в ближайшем будущем.
«В будущем мы можем осуществлять поиск Новой Физики за пределами Стандартной модели: например, проводить поиск нестандартных взаимодействий нейтрино и других явлений. Данные исследования могут иметь и практическое значение. Если процесс станет возможным надежно регистрировать, то с помощью относительно небольшого детектора мы сможем напрямую контролировать мощность атомного реактора», — заключил Алексей Лубашевский.
Работа «Создание установки νGeN по исследованию свойств реакторных антинейтрино» была отмечена Премией ОИЯИ 2022 года в конкурсе научно-методических и научно-технических работ. Премию получил коллектив авторов ЛЯП ОИЯИ: Вячеслав Белов, Игорь Житников, Сергей Казарцев, Алексей Лубашевский, Дмитрий Медведев, Дмитрий Пономарев, Сергей Розов, Константин Шахов, Егор Шевчик и Евгений Якушев.