Forskning karakteriserar fotavtrycket av neutriner

Credit: Oak Ridge National Laboratory; Genevieve Martin
Credit: Oak Ridge National Laboratory; Genevieve Martin

Neutrinon, en av naturens mest svårfångade och minst förstådda subatomära partiklar, växelverkar sällan med materia. Det gör precisionsstudier av neutrinon och dess antimateria-partner, antineutrinon, till en utmaning. De starkaste neutrinosändarna på jorden – kärnreaktorer – spelar en nyckelroll i studierna av dessa partiklar. Forskare har utformat Precision Reactor Oscillation and Spectrum Experiment (PROSPECT) för detaljerade studier av elektron-antineutrinon som kommer från kärnan i High Flux Isotope Reactor (HFIR).

Nu har PROSPECT-forskarna rapporterat den mest exakta mätningen någonsin av energispektrumet för antineutriner som avges vid klyvning av uran-235 (U-235). Dessa resultat ger forskarna ny information om dessa partiklars natur.

PROSPECT:s medarbetare representerar mer än 60 deltagare från 13 universitet och fyra nationella laboratorier. De byggde ett nytt antineutrinodetektorsystem och installerade det med omfattande, skräddarsydd avskärmning mot bakgrund i forskningsreaktorn HFIR, en användaranläggning vid Department of Energy (DOE) Office of Science vid Oak Ridge National Laboratory. Forskningen fokuserar på antineutriner som uppstår vid fission av U-235. Antineutriner produceras genom betasönderfall och är antimateria-partikelmotsvarigheter till neutriner.

PROSPECT har gett insikter i grundläggande neutrinofysik och är ett kraftfullt verktyg för att bättre förstå kärnprocesser i fissionsreaktorer. PROSPECT har nu rapporterat den mest exakta mätningen av antineutrinoenergispektrumet från U-235. Dessutom ger den nya inskränkningar på orsaken till den observerade missmatchningen mellan data och modell. Dessa resultat har visat på behovet av bättre modeller som beskriver produktionen av antineutrinos från klyvbara isotoper. Resultaten publiceras i tidskriften Physical Review Letters.

Forskare är intresserade av neutrinons egenskaper eftersom de utgör ett direkt test av partikelfysikens standardmodell. Det är den teori som beskriver växelverkan mellan alla de grundläggande partiklarna i universum. Förslag på fysik som inte förklaras av standardmodellen har sitt ursprung i oenigheter mellan förutsägelser baserade på modellen och data från experiment. Dessa reaktorbaserade experiment har detekterat färre neutriner än förväntat och funnit inkonsekvenser i en liten del av energispektrumet.

Det nya resultatet från PROSPECT-samarbetet tar direkt itu med dessa inkonsekvenser. Resultatet gör detta genom att tillhandahålla ett nytt referensenergispektrum. Det ger också nya inskränkningar på orsaken till skillnaderna mellan data och modeller.

Experiment baserade på kärnreaktorer har lett till viktiga milstolpar inom neutrinofysiken, såsom den första experimentella upptäckten av partikeln och bekräftelsen på att neutriner byter typ under sin färd. Unika egenskaper som hög intensitet och en kompakt kärna av höganrikat U-235-bränsle gör HFIR till en idealisk plats för att fortsätta denna långa koppling mellan reaktorer och nya insikter om neutrinoegenskaper.

Ytterligare information: M. Andriamirado et al, Final Measurement of the U235 Antineutrino Energy Spectrum with the PROSPECT-I Detector at HFIR, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021802

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.