Antyneutrina z reaktora wykryte 240 km dalej. Wystarczyła woda

Czy zwykła woda wystarczy, by wytropić tajemnice odległych reaktorów jądrowych?

Pod grubą warstwą skał w kanadyjskim Ontario, w zbiorniku wypełnionym najczystszą wodą, rozbłysło światło. Ten ledwie zauważalny błysk oznaczał jedno: detektor po raz pierwszy w historii zarejestrował antyneutrina z reaktora jądrowego oddalonego o ponad 240 kilometrów, używając do tego wyłącznie wody.

Cząstki-widma w pułapce z H₂O

→ Czytaj też: Lodowy teleskop pod biegunem. Nobel 2026 za odkrycie kosmicznych neutrin

Neutrina i ich antycząstki należą do najbardziej nieuchwytnych składników Wszechświata. Przenikają przez materię, jakby jej nie było, przez co zyskują przydomek „cząstek-widm”. W procesie radioaktywnego rozpadu beta powstaje m.in. elektronowe antyneutrino, które może zareagować z protonem, prowadząc do emisji pozytonu i neutronu. To zjawisko - odwrotny rozpad beta - jest szczególnie trudne do uchwycenia, ponieważ antyneutrina z reaktorów mają wyjątkowo niską energię.

Dotychczas do ich rejestracji używano skomplikowanych i kosztownych materiałów scyntylacyjnych. Tym razem kluczową rolę odegrało laboratorium SNO+, działające ponad 2 km pod ziemią. Zwykle jego zbiornik wypełnia się cieczą wzmacniającą sygnał świetlny, ale w 2018 roku, na etapie prób kalibracyjnych, przez pewien czas znajdowała się w nim wyłącznie ultraczysta woda. Jak pokazała późniejsza analiza, właśnie ten okres - obejmujący dane z 190 dni pracy - przyniósł naukowcom materiał, który okazał się przełomowy.

Błysk wart 190 dni pracy

→ Czytaj też: Promienie kosmiczne zderzone w laboratorium. Modele właśnie legły w gruzach

Detekcja opiera się na promieniowaniu Czerenkowa - słabych rozbłyskach światła emitowanych, gdy naładowana cząstka porusza się w ośrodku szybciej niż światło. Wychwytują je czułe fotopowielacze. W przypadku SNO+ zespół badaczy zidentyfikował charakterystyczną oznakę obecności neutronu przechwytywanego przez wodór, co towarzyszy odwrotnemu rozpadowi beta. Skuteczność detekcji przy energii 2,2 megaelektronowolta sięgnęła 50 proc., mimo że klasyczne wodne detektory zaczynają reagować na słabsze impulsy dopiero przy progu 3 megaelektronowoltów.

Z pomiarów wynikało także 99,7 proc. prawdopodobieństwa, że zarejestrowany sygnał był związany właśnie z antyneutrinami z odległej elektrowni jądrowej. Logan Lebanowski z zespołu SNO+ oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley podkreślał, że rezultat nie był kwestią przypadku, lecz żmudnej pracy analitycznej. „Zaintrygowało nas, że czysta woda potrafi mierzyć antyneutrina z reaktorów i na tak dużą odległość. Włożyliśmy wiele wysiłku, by wydobyć garść sygnałów z 190 dni zapisów. To satysfakcjonujące doświadczenie” - komentował.

Tańszy nadzór nad reaktorami

Wynik opublikowany na łamach Physical Review Letters znaczy więcej niż tylko postęp w fizyce fundamentalnej. Dotychczas do podobnych pomiarów wybierano materiały bardziej skomplikowane oraz kosztowniejsze niż sama woda. Nowa metoda może stać się podstawą prostszych i tańszych narzędzi do monitorowania pracy reaktorów jądrowych. Detektory wodne, pozbawione drogich domieszek, byłyby łatwiejsze w budowie i bezpieczniejsze w eksploatacji.

Co więcej, zdolność wykrywania antyneutrin na dystansie setek kilometrów otwiera drogę do zdalnego nadzoru - również dla nieproliferacji broni jądrowej. Reaktor pracujący w dowolnym miejscu emituje strumień tych cząstek, którego nie da się ukryć. Wodny detektor mógłby więc pełnić funkcję biernego strażnika, rejestrującego nielegalną aktywność bez konieczności fizycznej inspekcji.

Przełom z Ontario udowadnia, że czasem najbardziej wyrafinowane odkrycia rodzą się z najprostszych składników. Wystarczyła woda, cierpliwość i 190 dni nasłuchiwania szeptów Wszechświata.