Într-un articol recent se arată cum experimentul PROSPECT de la reactorul nuclear HFIR de la Oak Ridge National Laboratory în Statele Unite a reușit să măsoare cu mare precizie antineutrinii generați de fisiunea uraniului în reactor. În felul acesta teoria care descrie acest proces va putea fi îmbunătățită, țînând cont că la ora actuală spectrul măsurat nu coincide cu previziunile teoretice.

Neutrinii

Neutrinii sunt particule elementare care fac parte din și sunt descrise de așa-numitul Model Standard al fizicii particulelor elementare. Există trei tipuri de neutrini: cel electronic, cel muonic și neutrinul tau. Cât de bine înțelegem neutrinii? La ora actuală neutrinii sunt cele mai misterioase particule ale Modelului Standard, întrucât se aștepta ca aceste particule să nu aibă masă; experimentele însă au demonstrat cum că neutrinii oscilează – adică se transformă dintr-un tip de neutrini în alt tip (de exemplu neutrinii electronici se pot transforma în neutrini muonici sau tau). Acest proces este posibil doar dacă neutrinii au masă. Până la ora actuală experimentele noastre nu ne-au permis să măsurăm această masă, ci doar să punem limite asupra acesteia. Știm astfel că masa neutrinilor este extrem de mică, mult mai mică decât cea a electronilor, însă încă nu știm cât de mică. Acesta este unul din motivele pentru care studiul neutrinilor este foarte important. Neutrinii au antiparticule – antineutrinii; încă nu știm dacă neutrinii și antineutrinii sunt una și aceeași particulă sau, dimpotrivă, particule diferite care se comportă în mod diferit.

Surse de neutrini și cum îi măsurăm

Cea mai mare parte a neutrinilor provin din reacțiile nucleare care au loc în Soare; o altă parte din interacțiuni ale razelor cosmice în atmosferă sau din procese cosmice, cum ar fi explozii de supernove. Neutrinii pot proveni și din interiorul planetei noastre – din reacții nucleare ale uraniului sau toriului care se petrec în scoarța terestră. O altă sursă de neutrini, extrem de interesantă, este reprezentată de reactoarele nucleare, țînând cont că în procesele nucleare de fisiune ale Uraniului 235 au loc și dezintegrări beta, în urma cărora se nasc antineutrini de tip electronic.

Studiul experimental al neutrinilor este dificil, întrucât aceste particule, neavând sarcină electrică și interacționând extrem de slab cu materia, practic străbat detectoarele noastre fără să interacționeze. Pentru a-i studia este nevoie ori de un detector cu masă și volum foarte mari, ori de un flux de neutrini intens.

Experimentul PROSPECT și măsurătoarea antineutrinilor

Experimentul PROSPECT (Precision Reactor Oscillation and Spectrum Experiment) de la High Flux Isotope Reactor (HFIR), Oak Ridge National Laboratory, a fost construit tocmai pentru a studia antineutrinii emiși de reactorul nuclear, fiind poziționat foarte aproape de reactor, astfel încât fluxul de antineutrini să fie cât mai mare. Într-un articol publicat recent în Phys. Rev. Letters, PROSPECT prezintă cea mai precisă măsurătoare a energiei antineutrinilor emiși dintr-un reactor din procesele de fisiune ale Uraniului 235. Noile rezultate confirmă cu o precizie mai mare faptul că teoria care descrie reactorul nu descrie bine măsurătorile efectuate.

Antineutrinii și studiul acestora

Măsurătoarea efectuată de experimentul PROSPECT arată cum că teoria Huber-Mueller care calculează spectrul neutrinilor obținuți dintr-un reactor nuclear nu funcționează extrem de bine; antineutrinii măsurați în regiunea de energie 5-7 MeV (MeV este un Mega-electronVolt – o unitate de energie folosită în fizica particulelor elementare; în această unitate masa protonului este circa 938 MeV) sunt mai mulți decât cei prevăzuți de teorie. Aceasta deci va trebui îmbunătățită, în așa fel încât să descrie datele experimentale. PROSPECT va efectua în viitor măsurători și mai precise, având ca unul dintre obiective studiul oscilației neutrinilor și proprietățile acestora.

Neutrinii continuă să fie cele mai misterioase particule ale Modelului Standard și la ora actuală multe experimente, la acceleratoare, reactoare nucleare și laboratoare subterane, încearcă să le descifreze misterul.

Credit imagine: Oak Ridge National Laboratory; Genevieve Martin

Articolul: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.021802

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul” Sfântu Gheorghe