Reaktor – intenzivní zdroj antineutrin

Reaktory elektrárny Daya Bay se využívají pro studium oscilací neutrin. (Zdroj Roy Kaltschmidt, Berkeley).

Při přeměně neutronu na proton vznikají zároveň elektron a také antineutrino. A to jak při rozpadu volného neutronu, tak při jeho přeměně uvnitř jádra, které má přebytek neutronů. Volný neutron má poměrně dlouhý poločas rozpadu, takže je v reaktoru většinou před rozpadem pohlcen nějakým jádrem, ovšem přeměny jader vznikajících štěpením jader uranu či transuranů jsou v tomto zařízení intenzivním zdrojem antineutrin. Štěpné produkty jsou jádra středně těžkých prvků, které mají u stabilních izotopů mnohem menší relativní přebytek neutronů než je tomu u uranu či transuranů. Při štěpení tak vznikají nestabilní jádra a v rozpadu beta se u nich musí přeměnit několik neutronů na protony, než dostaneme poměr protonů a neutronů odpovídající stabilnímu jádru. Každé štěpení je tak spojeno se vznikem několika antineutrin a reaktor jich tak produkuje obrovské množství. Neutrina unáší zhruba 7 % energie z té, která se při štěpení celkově uvolní.

Neutrina interagují s hmotou extrémně slabě a jejich detekce je velmi náročná. Pro jejich detekci tak bylo nutné mít velmi intenzivní zdroje těchto částic. To je důvod, proč musel objev neutrina čekat, až se postaví první velké jaderné reaktory. Tato zařízení se využívají i při studiu oscilací mezi třemi známými typy neutrin (elektronového, mionového a tauonového). V tomto případě je důležité znát počet elektronových antineutrin vyzařovaných reaktorem a jejich spektrum. V něm se počet vyzařovaných neutrin velice rychle zmenšuje s jejich energií.

Počet antineutrin emitovaných reaktorem dělený počtem štěpení v závislosti na době od začátku jeho provozu. Je vidět, že saturace proběhne velice rychle pro antineutrina s energií větší než 3 MeV, pro nižší energie se postupně doba dosažení saturovaného stavu prodlužuje a pro energie nižší než 1 MeV už trvá déle než rok. S klesající energií rychle roste počet neutrin. V grafu lze vidět, jaká část má energii nad 3 MeV, nad 2 MeV, nad 1 MeV a do 1 MeV. (Zdroj Petr Vogel)

Větší pravděpodobnost, že vyzáří antineutrina s vyšší energií, mají radionuklidy s vyšší energií rozpadu. U nich je pak většinou i kratší poločas rozpadu beta radionuklidu. Čím kratší je poločas rozpadu, tím dříve dojde k tomu, že se vyrovná počet vzniklých jader daného radionuklidu a počet jejich rozpadů. Dojde tak i k stabilizaci produkce antineutrin z jeho přeměny. Zatímco u produkce antineutrin s energií větší než 2 MeV dojde k saturaci již po méně než jednom dni, ke stabilizaci produkce neutrin s energií méně než 1 MeV je potřeba více než rok. Při jednom štěpení se vyzáří zhruba 6 antineutrin. A v saturovaném stavu tak dostaneme v každém okamžiku emisi právě tohoto počtu antineutrin na jedno štěpení v reaktoru.

Anomálie u reaktorových antineutrin

Kromě slunečních, atmosférických a urychlovačových neutrin se ke studiu oscilací těchto částic, při které dochází k přeměně jednoho typu neutrina na jiné, využívají i reaktory. Intenzivní měření poklesu počtu elektronových antineutrin v relativní blízkosti energetického reaktoru způsobené oscilací těchto částic na antineutrina tauonová vedlo k nutnosti znát co nejpřesněji jejich energetické spektrum a tok. Postupně se zjistilo, že pozorovaný tok antineutrin z reaktorů je o několik procent menší než ten, který předpovídaly modelové výpočty. A nemohlo to být vlivem zmíněných oscilací, protože tento deficit pozorovaných antineutrin se neměnil se vzdáleností.

Detektory v místě maximálního vlivu úbytku elektronových antineutrin daných oscilacemi na tauonové neutrino. V tomto místě jsou čtyři detektory. Bazén, ve kterém jsou ponořeny, slouží k odstínění radioaktivního záření z pozadí. (Zdroj Roy Kaltschmidt, Berkeley).

Existenci hledané oscilace neutrina poprvé prokázal experiment, který
využíval šestici čínských reaktorů elektráren Daya Bay a Laing Ao. Umožnila to konfigurace, kdy byly detektory v bezprostřední blízkosti reaktorů a pak ve vzdálenosti, kde by měl být úbytek elektronových antineutrin jejich přeměnou na antineutrina tauonová maximální. Detektory bezprostředně u reaktorů experimentálně změřily tok antineutrin z něj a tato hodnota mohla být srovnána s měřením ve vzdáleném místě. Zjistilo se, že oscilace opravdu existují a v maximu ve vzdálenosti zhruba 1,8 km od reaktoru vedou k poklesu toku antineutrin zhruba o 7 %. Pozorování jsou podrobně popsána v článcích zde a zde.

I tato měření potvrdila, že emise antineutrin z reaktoru je nižší, než je předpověď modelů. I zde se tak pozoroval jev, který se od začátku desetiletí označuje jak anomálie reaktorových antineutrin. V současné době je deficit pozorován v několika experimentech. Určená hodnota se shoduje a představuje zhruba 6 % pozorované emise antineutrin.

Jednou z možností vysvětlení chybějících antineutrin je naše nedostatečná znalost složení štěpných produktů, hlavně těch s vysokou energií rozpadu a krátkými dobami života. Stejně tak je přesnost našich odhadů emise a hlavně spektra antineutrin ovlivněna přesností znalostí přesného průběhu gama a beta přeměny u těchto exotických jader hodně vzdálených od linie stability (tedy poměru neutronů a protonů u stabilních jader).

Srovnání experimentálního a modelového spektra reaktorových antineutrin zaznamenaných v detektorech. Je vidět, že se detekují dominantně vysokoenergetická antineutrina. Zároveň je vidět pozorovatelný rozdíl mezi experimentálními výsledky a předpovědí. (Zdroj)

Druhou možností je pak mnohem atraktivnější a exotičtější hypotéza sterilních neutrin. Jedná se o předpoklad, že elektronové antineutrino se v omezeném
počtu případů může přeměnit na novou hypotetickou částici,
zmíněné sterilní neutrino. Jeho pravděpodobnost interakce s hmotou by byla ještě o další řády nižší, než je u neutrin. Nedaly by se tak detekovat a jejich prokázání by bylo možné právě chybějícími antineutriny. Tato možnost by byla průlomem do nové fyziky, takže není divu, že se na ni fyzikové zaměřili.

Co se zjistilo v Daya Bay

Nová měření, která se uskutečnila ve zmíněných experimentálních zařízeních, využívajících reaktory v Daya Bay a Laing Ao, s největší pravděpodobností záhadu rozřešila. Zde dlouhodobě probíhají stále přesnější měření toku a spektra antineutrin. Použité detektory dokáží zachytit pouze antineutrina s vysokou energií. Jak bylo vysvětleno, k dosažení jejich stabilní emise antineutrin stačí i jeden den. To však neznamená, že by se tok antineutrin a jejich spektrum přestalo po této době měnit. V průběhu práce reaktoru dochází k postupného vyhořívání paliva. Záchytem neutronů a následnými rozpady beta vznikají transurany, které následně mohou být dalším záchytem neutronu rozštěpeny. Složení paliva v reaktoru se tak v průběhu jedné kampaně postupně mění, průběžně klesá podíl izotopu uranu 235 a stoupá podíl plutonia 239 a dalších transuranů. Štěpení různých nuklidů vede k různému zastoupení konkrétních štěpných produktů a tím i k různému toku a spektru antineutrin. Změnou složení paliva se tak mění i tok a spektrum antineutrin.

Pohled do vnitřní nádrže jednoho z detektorů, které se používají v Daya Bay. Velice dobře jsou vidět fotonásobiče po stranách. (Zdroj Roy Kaltschmidt, Berkeley)

V průběhu let 2012 až 2016 se podařilo experimentu Daya Bay nashromáždit data za 1230 dnů měření a pořídit nejrozsáhlejší soubor detekovaných reaktorových antineutrin. Celkově jich bylo zaznamenáno více než dva miliony. Zároveň mají fyzikové podrobné informace o provozování jaderných bloků, které je vyzářily. Bylo tak možné srovnávat experimentálně získané a modelem předpovídané spektrum antineutrin. Ukazuje se, že rozdíl mezi měřením a předpovědí dosahuje v některých oblastech energií až několika procent. V rozsahu energií 4 až 7 MeV je nejen v experimentu Daya Bay vidět přebytek antineutrin překračující až o 10 % modelovou předpověď. Kromě celkového toku se tak reakce na změnu složení paliva sledovala i u spektra antineutrin.

Na horním obrázku je zaznamenán podíl plutonia 239 na štěpení u neutrin zachycených ve dvou detektorových sestavách, které byly v blízkosti různých reaktorů tak, jak se měnil v průběhu tří a půl roku měření. Velice dobře jsou vidět změny při výměně paliva. Na dolním obrázku je pak vidět, jak se se změnou podílu izotopu 239 na štěpení mění podíl ostatních izotopů uranu a transuranů. (Zdroj arXiv:1704.01082v1).

Poprvé se tak zjišťovalo, jak se mění tok a spektrum antineutrin v závislosti na složení paliva. V průběhu jednotlivých kampaní se podíl plutonia 239 v palivu měnil mezi hodnotami 25 a 35 %. Ze získaných dat se dalo určit, pro které štěpené nuklidy a do jaké míry se liší předpovědi od reálných dat. Ukázalo se, že tok neutrin přepočtený na jedno štěpení klesá zhruba lineárně s růstem efektivního podílu plutonia 239 a poklesem podílu uranu 235. Z měření absolutní hodnoty toku neutrin a jeho změny v závislosti na složení paliva bylo možné zjistit, jaká je pravděpodobnost emise neutrina, a tedy i jeho detekce, v případě uranu 235 a plutonia 239. V případě plutonia 239 odpovídá počet emitovaných a detekovaných neutrin předpovědím. Naopak u uranu 235 je pozorován deficit detekovaných neutrin ve výši téměř 8 %. Poprvé tak bylo možné zjistit, jak přispívají k pozorovanému deficitu reaktorových antineutrin jednotlivé nuklidy. Z toho, že se tento příspěvek pro různé nuklidy liší, je jasné, že jej nelze vysvětlit pomocí sterilních neutrin. Ty by měly mít stejný podíl emise nezávislý na tom, jaké jádro se rozštěpilo.

Srovnání experimentálních pozorování a modelových předpovědí pro emise neutrin na jedno štěpení. Zde je zobrazeno ve formě pravděpodobnosti reakce neutrina na protonu, která vede k produkci pozitronu, při jednom štěpení daného nuklidu. Na ose x jde o uran 235 a na ose y jde o plutonium 239. Červeně je výsledek z Daya Bay, různě temnou zelenou barvou pak hranice nejistoty 1σ, 2σ a 3σ. Černě pak je modelový výpočet s vyznačenou hranicí 1σ. Číselně jsou uvedeny hodnoty pravděpodobností také pro nuklidy uran 238 a americium 241. (Zdroj arXiv:1704.01082v1).

Závěr

Dlouhodobé pozorování antineutrin produkovaných v reaktorech experimentu Daya Bay ukázalo, že pozorovaný deficit měřených antineutrin oproti předpovědím je spojen se štěpením uranu 235 a neobjevuje se u plutonia 239. To znamená, že anomálii reaktorových antineutrin nelze vysvětlit pomocí hypotetických sterilních neutrin, tedy exotickou novou fyzikou. Vysvětlení tak je třeba hledat v naši neznalosti klasické fyziky. S největší pravděpodobností je třeba zpřesnit znalosti beta rozpadů krátce žijících štěpných produktů, které jsou svým poměrem neutronů a protonů hodně vzdálené od stabilních jader. Jsou to nuklidy s velmi krátkou dobou života a tím i málo prostudované. Přesnost modelových výpočtů je nedostatečná hlavně v případě tzv. zakázaných přechodů, to jsou beta přeměny, které probíhají mezi velmi rozdílnými stavy jader (s velmi odlišným spinem a dalšími charakteristikami). A ty mají podíl mezi 30 - 40 %.

Právě rozdílnost hladin, mezi kterými probíhají zakázané přechody, vede k tomu, že jejich popis je pro teorii velikou výzvou. Výsledek experimentu Daya Bay je zklamáním pro ty, kteří hledají známky nové fyziky a hypotetických částic. Jeden se známých rozporů, který zdánlivě klasická fyzika vysvětlit nedokázala, se ukázal být plně v jejím hájenství. Na druhé straně se tak ale otevírá výzva k průlomu v experimentálním a teoretickém poznání beta rozpadů vysoce nestabilních jader s vysokým přebytkem neutronů, a hlavně jejich zakázaných přechodů. Zlepšení popisu průběhu štěpení a následných procesů může být významným přínosem nejen pro neutrinové reaktorové experimenty, ale pro řadu dalších aplikací, při kterých se štěpná řetězová reakce využívá.

Zdroje:

F. P. An et al: Evolution of the Reactor Antineutrino Flux and Spectrum at Daya Bay, arXiv:1704.01082v1

LBLL: New Measurements Suggest „Antineutrino Anomaly“ Fueled by Modeling Error .

Patrick Huber: Reactor antineutrino fluxes – Status and challenges, arXiv:1602.01499

Petr Vogel: Přednášky a články