Глубоко под землей в канадской провинции Онтарио резервуар с чистейшей водой уловил почти неуловимый сигнал. Сквозь молекулы воды пролетела крошечная частица, пришедшая от ядерного реактора, который находился более чем в 240 километрах.
Эта частица называется антинейтрино. В 2023 году ученые впервые показали, что воду можно использовать для обнаружения антинейтрино от далекого ядерного реактора. Открытие описали в Physical Review Letters, и оно может стать шагом к более дешевым и безопасным технологиям наблюдения за реакторами.
Нейтрино — одни из самых распространенных частиц во Вселенной, но изучать их крайне сложно. У них почти нет массы, нет электрического заряда, и они почти не взаимодействуют с обычным веществом. Они могут проходить через космос, камень и даже целые планеты так, будто материи вокруг почти не существует. Именно поэтому их называют «призрачными частицами».
Антинейтрино — это антипартнеры нейтрино. Электронные антинейтрино появляются при ядерном бета-распаде — процессе, при котором нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Такие частицы в огромных количествах производятся ядерными реакторами, но они имеют сравнительно низкую энергию, поэтому обнаружить их трудно.
Для этого используют большие резервуары с жидкостью и сверхчувствительные датчики света. Они улавливают слабое свечение, которое возникает, когда заряженные частицы движутся через жидкость быстрее, чем свет способен распространяться в этой среде. Это явление называется черенковским излучением.
Ключевую роль в этой истории сыграла установка SNO+ — глубочайшая подземная лаборатория в мире. Она находится под более чем двумя километрами горной породы. Такая защита помогает отсечь помехи от космических лучей и получить более чистый сигнал.
Сегодня сферический резервуар SNO+ массой 780 тонн заполнен жидким сцинтиллятором, который усиливает свет. Но в 2018 году, во время калибровки, его временно заполнили сверхчистой водой. Позже оказалось, что этот период дал ученым важные данные.
Исследователи проанализировали 190 дней наблюдений, собранных тогда, и нашли признаки обратного бета-распада. Это реакция, при которой антинейтрино взаимодействует с протоном и рождает позитрон и нейтрон.
Нейтрон затем захватывается ядром водорода в воде, и в результате появляется слабая вспышка света с очень конкретной энергией — 2,2 мегаэлектронвольта. Обычно водные детекторы плохо видят сигналы ниже 3 мегаэлектронвольт, но SNO+ с водой смог обнаруживать события до 1,4 мегаэлектронвольта. Это сделало поиск такого редкого сигнала возможным.
Анализ показал, что один из найденных кандидатов, скорее всего, был вызван антинейтрино. Уровень достоверности составил 3 сигмы, то есть вероятность около 99,7%.
Результат оказался важным не только для физики частиц. Он показал, что обычная вода потенциально может использоваться для дистанционного наблюдения за работой ядерных реакторов.
Физик Логан Лебановски из коллаборации SNO+ и Калифорнийского университета в Беркли отметил, что сам факт обнаружения антинейтрино от реакторов с помощью чистой воды на таком расстоянии выглядит особенно интригующе. По его словам, команде пришлось приложить много усилий, чтобы извлечь всего несколько сигналов из 190 дней данных.
После этого SNO+ перешла к работе со сцинтиллятором и продолжила изучать поведение нейтрино. В декабре 2025 года команда под руководством Оксфордского университета с помощью того же детектора наблюдала, как солнечные нейтрино превращают атомы углерода-13 в азот-13 глубоко под землей. Ученые отследили две связанные вспышки света, разделенные несколькими минутами.
Исследовательница SNOLAB Кристин Краус заявила, что, насколько известно ученым, это было наблюдение взаимодействий нейтрино с ядрами углерода-13 при самой низкой энергии на тот момент.
Нейтрино невозможно измерять напрямую, поэтому о них до сих пор известно далеко не всё. Один из главных вопросов — являются ли нейтрино и антинейтрино одной и той же частицей. Ответ мог бы дать редкий распад, который пока ни разу не наблюдали. SNO+ продолжает его искать.
Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
