Под двухкилометровой толщей гранита резервуар с кристально чистой водой внезапно вспыхнул призрачным свечением, когда крошечная частица, родившаяся в ядерном реакторе за 240 километров, пронзила его молекулы.

Фото сгенерировано нейросетью gigachat/Анастасия Евдокименкова

Это стало первым в истории случаем, когда обычная вода использовалась для детектирования антинейтрино от удалённого источника, что открыло абсолютно новый, более дешёвый и безопасный путь для мониторинга атомных электростанций. Эти частицы-призраки, как их называют учёные, практически не имеют массы, лишены заряда и проходят сквозь скалы и пространство будто материя для них иллюзия.

Физики объясняют, что антинейтрино испускаются в огромных количествах при ядерном бета-распаде, когда нейтрон превращается в протон, электрон и неуловимую частицу. И чтобы зафиксировать её присутствие, учёные используют реакцию обратного бета-распада, при которой антинейтрино взаимодействует с протоном, рождая позитрон и нейтрон, а затем этот нейтрон захватывается ядром водорода в воде, создавая мягкое свечение строго определённой энергии. Именно это свечение, возникающее из-за аналога звукового удара, только для света, и улавливают огромные резервуары, усеянные сверхчувствительными фотоумножителями. Однако проблема в том, что антинейтрино от реакторов обладают сравнительно низкой энергией, и традиционные водяные детекторы обычно слепы к сигналам ниже трёх мегаэлектронвольт.

Чтобы решить эту проблему была создана лаборатория, расположенная на глубине более двух километров в шахте в Канаде, где толща породы служит идеальным щитом от космических лучей, позволяя получать сигналы невероятной чистоты. Проанализировав 190 дней накопленных данных, учёные обнаружили неопровержимые свидетельства обратного бета-распада: водяной детектор, вопреки всем ожиданиям, смог зафиксировать сигналы вплоть до 1,4 мегаэлектронвольт, обеспечив около 50-процентную эффективность на уровне 2,2 мегаэлектронвольт, и статистический анализ показал, что сигнал с вероятностью 99,7 процента был вызван именно антинейтрино.

Физик Логан Лебановски признался, что команду буквально заинтриговал сам факт, что простая вода способна измерять реакторные антинейтрино с таких огромных расстояний. Они потратили колоссальные усилия, чтобы извлечь несколько сигналов из массива данных, но результат стоил того, ведь теперь перед наукой открываются фантастические перспективы использования воды для удалённого мониторинга ядерных реакторов — технологии, которая будет одновременно дешёвой, доступной и безопасной, без необходимости в сложных и дорогих сцинтилляционных жидкостях.

Исследователь Кристин Краус подчеркнула, что это первое в мире наблюдение взаимодействия нейтрино с ядрами углерода-13 на столь низких энергиях. Теперь физики с нетерпением ждут, когда детектор поможет ответить на один из самых больших вопросов современности: являются ли нейтрино и антинейтрино на самом деле одной и той же частицей.