Fizičari su prvi put uspjeli izmjeriti emisiju čestica iz ugašenih nuklearnih reaktora. Riječ je o iznimno neuhvatljivim antineutrinima, poznatima i kao "čestice duhovi" jer zbog nedostatka električnog naboja i gotovo zanemarive mase gotovo nikad ne stupaju u interakciju s materijom.
Upravo je ta njihova sablasna priroda ključna za razvoj novih metoda nuklearnog nadzora jer omogućuje neinvazivan uvid u procese unutar reaktora, čak i nakon što prestanu s radom, piše ScienceAlert.
U nedavnom eksperimentu u Francuskoj, znanstvenici su detektirali prigušeni tok elektronskih antineutrina koji i dalje izlazi iz jezgri isključenih nuklearnih reaktora. Time su prvi put eksperimentalno potvrdili postojanje ovog preostalog zračenja, koje je dosad bilo samo teorijski predviđeno.
Eksperiment Double Chooz
Mjerenje je provela znanstvena kolaboracija Double Chooz, koju su vodili fizičari s Instituta Max Planck za nuklearnu fiziku (MPIK). Potvrdili su da tok čestica dolazi iz istrošenog goriva unutar dva reaktora, kao i iz uskladištenog otpadnog materijala u bazenima za hlađenje.
"Dosadašnji eksperimenti s reaktorskim antineutrinima uglavnom su bili usmjereni na reaktore u pogonu, gdje je tok antineutrina znatno veći", rekao je Anthony Onillon, fizičar na MPIK-u i jedan od voditelja studije.
"Detekcija sićušnog preostalog signala nakon gašenja zahtijevala je iznimno nisku razinu pozadinskog šuma i precizne analitičke tehnike koje je kolaboracija Double Chooz razvijala godinama."
Eksperiment Double Chooz odvijao se od 2011. do 2017. godine.
Znanstvenici su tada proučavali goleme količine antineutrina proizvedenih u nuklearnoj elektrani Chooz na sjeveru Francuske.
Koristili su dva podzemna detektora, postavljena na prosječnoj udaljenosti od 400 i 1050 metara od dva aktivna reaktora.
Kako uloviti nevidljivu česticu
Glavni cilj bio je proučavanje neobičnog svojstva poznatog kao oscilacija, pri kojem neutrini i antineutrini tijekom putovanja spontano mijenjaju svoj "okus", odnosno vrstu. Fizičari iz Fermilaba slikovito su to opisali kao da kupite sladoled od čokolade koji se putem do kuće pretvori u vaniliju, a zatim u jagodu.
Fizičari zapravo ne mogu izravno "vidjeti" antineutrine. Njihovo postojanje zaključuju na temelju rijetkih interakcija s drugim česticama unutar posebno dizajniranih detektora. "Antineutrini iznimno rijetko stupaju u interakciju s materijom", objašnjava Thierry Lasserre, fizičar s MPIK-a.
"Ipak, kada se interakcija dogodi unutar detektora Double Chooz, stvara se karakterističan dvostruki svjetlosni signal koji se može razlučiti od pozadinskih događaja."
Signal u dva koraka
Kada antineutrino prođe kroz detektor, ponekad se sudari s protonom unutar tekućeg scintilatora, tvari koja emitira svjetlost pri prolasku zračenja. Taj sudar stvara neutron i pozitron, koji je antimaterijski parnjak elektrona. Pozitron se odmah poništava u sudaru s obližnjim elektronom, što proizvodi prvi bljesak svjetlosti.
Ubrzo nakon toga, novonastali neutron hvata atom gadolinija, rijetkog metala dodanog u scintilator, što uzrokuje drugi bljesak svjetlosti. Ta dva signala u kratkom vremenskom razmaku služe kao pouzdana potvrda da je detektiran upravo antineutrino. Cijeli proces naziva se inverzni beta-raspad (IBD).
Budući da se IBD često događa tijekom fisije uranija i plutonija u reaktorima, praćenje toka antineutrina može biti ključno za nuklearnu sigurnost i analizu sastava goriva.
Rezultati i buduća primjena
Tijekom 17,2 dana promatranja, dok su obje jezgre reaktora Chooz bile ugašene, istraživači su zabilježili 106 (plus-minus 18) događaja. Taj je broj u skladu s teorijskim predviđanjem od 88 (plus-minus 7) događaja. Izmjereni signal predstavlja manje od jedan posto toka koji se bilježi dok reaktor radi.
Znanstvenici ističu da se preciznost tehnike može dodatno poboljšati. Trenutna metoda je osjetljiva na veće promjene u toku čestica, ali vjerojatno ne bi mogla otkriti, primjerice, da nedostaje nekoliko sklopova istrošenog goriva.
Unatoč tome, ovaj rad predstavlja važan dokaz koncepta za razvoj metoda izravnog i neinvazivnog nuklearnog nadzora, što bi u budućnosti moglo značajno unaprijediti sigurnosne standarde.