Учёные впервые зафиксировали антинейтрино от ядерного реактора с помощью компактного детектора

Расположение и размер детектора CONUS+ внутри реактора в Лейбштадте, Швейцария. Автор: MPIK

Нейтрино — одни из самых неуловимых элементарных частиц. Ежесекундно через каждый квадратный сантиметр Земли проходят около 60 миллиардов солнечных нейтрино, практически не взаимодействуя с веществом. После первого теоретического предсказания их существования прошли десятилетия, прежде чем их удалось обнаружить. Обычно такие эксперименты требуют огромных установок из-за крайне слабого взаимодействия нейтрино с материей.

Учёные из Института ядерной физики Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые смогли зафиксировать антинейтрино от ядерного реактора с помощью эксперимента CONUS+, используя детектор массой всего 3 кг. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Изначально эксперимент CONUS проводился на АЭС Брокдорф, но летом 2023 года его перенесли на атомную электростанцию Лейбштадт (KKL) в Швейцарии. Усовершенствования германиевых полупроводниковых детекторов массой 1 кг, а также отличные условия измерений на KKL позволили впервые зарегистрировать так называемое когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах (CEvNS).

В этом процессе нейтрино рассеиваются не на отдельных компонентах атомных ядер в детекторе, а когерентно со всем ядром. Это значительно увеличивает вероятность возникновения очень слабого, но наблюдаемого ядерного отдачи. Такую отдачу можно сравнить с отскоком мячика для пинг-понга от автомобиля, где детектируется изменение движения машины.

Результаты последних измерений антинейтрино с установкой CONUS+. Автор: MPIK

Эффект был предсказан ещё в 1974 году, но впервые подтверждён лишь в 2017 году экспериментом COHERENT на ускорителе частиц. Теперь эксперимент CONUS+ впервые успешно наблюдал этот эффект при полной когерентности и более низких энергиях в реакторе. Компактная установка CONUS+ расположена в 20,7 м от активной зоны реактора. На этой позиции через каждый квадратный сантиметр поверхности ежесекундно проходят более 10 триллионов нейтрино.

После примерно 119 дней измерений между осенью 2023 и летом 2024 года исследователи смогли выделить из данных CONUS+ избыток в 395±106 нейтринных сигналов после вычитания всех фоновых и мешающих сигналов. Это значение находится в очень хорошем согласии с теоретическими расчётами в пределах погрешности измерений.

«Мы успешно подтвердили чувствительность эксперимента CONUS+ и его способность детектировать рассеяние антинейтрино на атомных ядрах», — объясняет доктор Кристиан Бук, один из авторов исследования.

Он также подчеркивает потенциал разработки небольших мобильных детекторов нейтрино для мониторинга тепловой мощности реактора или концентрации изотопов как возможные будущие применения представленной здесь технологии CEvNS.

Измерения CEvNS дают уникальное представление о фундаментальных физических процессах в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц — текущей теории, описывающей структуру нашей Вселенной. По сравнению с другими экспериментами, измерения с CONUS+ позволяют уменьшить зависимость от аспектов ядерной физики, повышая чувствительность к новой физике за пределами Стандартной модели.

По этой причине осенью 2024 года CONUS+ уже был оснащён улучшенными и более крупными детекторами. С полученной точностью измерений ожидаются ещё более впечатляющие результаты.

«Методы, используемые в CONUS+, обладают отличным потенциалом для фундаментальных открытий», — подчёркивает профессор Линднер, инициатор проекта и соавтор исследования. «Новаторские результаты CONUS+ могут стать отправной точкой для нового направления в исследованиях нейтрино».

Дополнительная информация: Christian Buck, Direct observation of coherent elastic antineutrino–nucleus scattering, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09322-2. www.nature.com/articles/s41586-025-09322-2

Источник: Общество Макса Планка