Nejpřesnější měření spektra reaktorových antineutrin odkrývá zajímavé překvapení

Experiment Daya Bay detekuje odlišnosti od teoretických předpovědí a poskytuje důležitý standard pro budoucí měření reaktorových antineutrin.

Členové mezinárodního experimentu Daya Bay, který sleduje produkci a změnu „vůně“ (flavor) elektronových antineutrin vznikajících v komplexu jaderných elektráren v Číně, získali nejpřesnější měření spektra energií těchto mikroskopických částic. Data z největšího souboru registrovaných reaktorových antineutrin na světě naznačují dvě záhadné odlišnosti od teoretických předpovědí a poskytují měření, které ovlivní budoucí experimenty s reaktorovými antineutriny. Výsledky byly publikovány ve vědeckém časopise Physical Review Letters.

Zkoumání chování těžko registrovatelných neutrin má potenciál odhalit mnoho fyzikálních tajemství, včetně detailů ohledně historie, složení a osudu našeho vesmíru. Neutrina byla nejpočetnějšími částicemi v době Velkého třesku a i dnes jsou stále produkována ve velké hojnosti v jaderných reakcích ve hvězdách a v kolizích kosmického záření v zemské atmosféře.

Antineutrina vznikají rovněž při využívání energie v reaktorech jaderných elektráren. Tato skutečnost dává vědcům možnost jejich studia na Zemi při kontrolovatelných podmínkách. Ostatně elektronová antineutrina z jaderného reaktoru byla prvními pozorovanými neutriny a to v padesátých letech minulého století, v době, kdy registrace neutrin byla považována za nemožnou vzhledem k jejich velmi slabé interakci s prostředím a jejich existence byla pouze teoreticky předpovězena. Od těch dob hrají reaktorové experimenty, jako je právě Daya Bay, zásadní roli při rozkrývání tajemství oscilací neutrin – jejich neustálá přeměna mezi třemi známými typy: elektronové, mionové a tauonové neutrino – a jejich dalších důležitých vlastností.

Významným předpokladem těchto experimentů je znalost, kolik antineutrin je celkem vyzářeno z příslušných jaderných reakcí, tzv. celkový tok, a též kolik se jich produkuje s určitou energií, tzv. energetické rozdělení, nebo taky spektrum. V prvních měřeních se museli vědci spoléhat na teoretické předpovědi či jiné nepřímé metody, jako například měření energetických spekter elektronů vyzařovaných z izotopů používaných v jaderných palivech, a výsledná čísla zakládali na omezených znalostech složitých štěpných reakcí v jaderných reaktorech. Nicméně, takové metody jsou velmi závislé na teoretických modelech.

Experiment Daya Bay nyní poskytl nejpřesnější modelově nezávislé měření energetického spektra reaktorových antineutrin a nové měření jejich celkového toku. Data byla nasbírána z analýzy více než 300 000 reaktorových antineutrin registrovaných po dobu více než 200 dní. Největší výzvou této práce byla přesná kalibrace energetické odezvy detektorů. Díky speciální kalibraci a důkladné analýze byl experiment schopen změřit spektrum energií s bezprecedentní přesností, lepší než 1%, v širokém rozsahu energií.

Změřené spektrum vykazuje překvapivou strukturu, přebytek antineutrin oproti teoretickým předpovědím a to v oblasti energií okolo 5 megaelektronvoltů (MeV). Přebytek v této oblasti činí přibližně 10 procent oproti výpočtům založeným na teoretických modelech a dosahuje až čtyř standardních odchylek. Další dva experimenty naměřily podobný přebytek v okolí stejných energií, nicméně s menší přesností než nový výsledek experimentu Daya Bay.

Tato odchylka poukazuje na nutnost přímého měření energetického spektra reaktorových antineutrin, a to především pro experimenty, které využívají znalost spektra k změření jejich oscilací. Zároveň naznačuje nutnost přepracování použitých teoretických modelů. Měření Daya Bay se bude dále zpřesňovat větším množstvím registrovaných antineutrin a též s lepším porozuměním detektorů a bude nepostradatelné pro experimenty reaktorových antineutrin další generace, jako je experiment JUNO, který se nyní staví 200 kilometrů od Daya Bay.

Měření celkového toku antineutrin – celkového počtu antineutrin emitovaných v celém energetickém rozsahu – naznačuje, že reaktory produkují celkově o 6 procent méně antineutrin ve srovnání s některými předpověďmi. Tento výsledek souhlasí s předchozími měřeními. Pozorovaný nedostatek je nazýván „anomálie reaktorových antineutrin“. Jeho vysvětlení může být v nedostatcích používaných modelů, nebo může být důsledkem oscilace s novým, tzv. sterilním, typem neutrina. Existence sterilních neutrin byla již postulována v některých teoriích, ale žádné pozorování ji doposud nepotvrdilo. Nicméně, otázka existence této anomálie je stále otevřená.

Na experimentu se podílí i skupina vědců z MFF UK pod vedením Prof. RNDr. Ruperta Leitnera, DrSc.

– tisková zpráva –
kontakt: Mgr. Viktor Pěč

Související odkazy:

• Prestižní ocenění pro fyziky a studenty MFF UK (10. 11. 2015)
• Nejpřesnější měření neutrin v Daya Bay (15. 9. 2015)
• Sterilní neutrina zůstávají neodhalena (2. 10. 2014)