На Калининской атомной электростанции (КАЭС) действует экспериментальная установка νGeN, созданная силами сотрудников Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Эксперимент направлен на поиск когерентного упругого 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. Обнаружение когерентного рассеяния нейтрино откроет новые возможности как для фундаментальных исследований, таких как поиск нестандартных взаимодействий нейтрино, так и для практического применения новых знаний, в частности для мониторинга работы АЭС и контроля за нераспространением ядерного оружия. Несколько экспериментов на атомных реакторах по всему миру исследуют когерентное упругое рассеяние нейтрино на атомных ядрах, однако еще ни один из них до сих пор не смог надежно зарегистрировать этот процесс.

Когерентное упругое 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 когерентного упругого рассеяния нейтрино 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.

Рис. 1 Схема расположения экспериментального помещения на КАЭС

Калининская атомная электростанция находится примерно в 300 километрах от Дубны, в городе Удомле Тверской области. Установка νGeN расположена под реактором мощностью 3,1 ГВт на расстоянии около 11 метров от центра активной зоны. «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», – рассказал начальник сектора № 1 Научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Алексей Лубашевский.

Благодаря такому расположению спектрометра ученые добились возможности оперировать потоком антинейтрино ~ 5×10¹³ частиц на сантиметр квадратный в секунду. Материалы, которые окружают реактор, соответствуют 50 метрам водного эквивалента и обеспечивают отличную защиту от фонового космического излучения.

Рис. 2 Слева: принципиальная схема защиты установки. Справа: фото медной защиты на этапе сборки установки

Регистрация событий осуществляется с помощью специального низкопорогового детектора из сверхчистого германия. 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, что могло бы свидетельствовать об обнаружении когерентного рассеяния нейтрино. Анализ данных позволил команде ОИЯИ поставить ограничение на важный параметр ионизационных потерь в германии на уровне k < 0,26.

Рис. 3 Низкоэнергетическая часть экспериментальных спектров, набранных при работающем и остановленном реакторе

В 2022 году был установлен специальный подъемный механизм, который позволяет приближать спектрометр к реактору и оперировать большим потоком нейтрино, произведена модернизация системы набора данных и улучшен порог измерений. В настоящее время набор данных продолжается и скоро планируется получить новые результаты.

«В будущем мы можем осуществлять поиск Новой физики за пределами Стандартной модели, например проводить поиск нестандартных взаимодействий нейтрино и других явлений. Но такие работы приносят результаты не только фундаментального характера. Если станет возможным надежно регистрировать процесс, то с помощью относительно небольшого детектора мы сможем напрямую контролировать мощность атомного реактора», — заключил Алексей Лубашевский.

Участники научного коллектива ОИЯИ, занимающегося проектом νGeN

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.

Публикации:

1. I. Alekseev et al., “First results of the νGeN experiment on coherent elastic neutrino-nucleus scattering”, Phys. Rev. D 106, L051101, (2022)