Ядерные реакторы представляют собой мощные и хорошо контролируемые источники электронных антинейтрино. Каждый акт деления тяжёлого ядра (например, 235U, 239Pu) сопровождается испусканием в среднем шести антинейтрино, возникающих в процессе β⁻-распада осколков деления. Суммарный поток антинейтрино от реактора мощностью порядка 3 ГВт достигает 1020 частиц в секунду, что делает такие установки уникальными лабораториями для фундаментальной физики.
Спектр реакторных антинейтрино носит непрерывный характер и охватывает энергии до 10 МэВ, при этом максимум приходится на область 2–4 МэВ. Точное знание этого спектра имеет решающее значение для интерпретации экспериментальных данных, связанных с осцилляциями нейтрино и проверкой фундаментальных свойств слабого взаимодействия.
Основным каналом регистрации реакторных антинейтрино является реакция обратного β-распада:
ν̄e + p → e+ + n,
где свободный протон (обычно в составе водородосодержащего вещества) служит мишенью. Порог реакции составляет 1,8 МэВ, что делает её чувствительной именно к наиболее интенсивной части реакторного спектра.
Обнаружение продуктов реакции осуществляется по совпадению двух сигнала:
Такое «двойное совпадение» резко снижает уровень фоновых событий, что делает метод исключительно надёжным для экспериментов вблизи ядерных реакторов.
Историческим прорывом стали эксперименты Ф. Рейнеса и К. Коуэна в 1950-е годы. Их установка, расположенная рядом с реактором в Саванна-Ривер (США), впервые зарегистрировала сигналы от антинейтрино посредством описанного выше метода обратного β-распада. Этот результат подтвердил фундаментальное существование нейтрино, предсказанное Вольфгангом Паули ещё в 1930 году.
Явление осцилляций нейтрино предполагает, что электронное нейтрино может превращаться в мюонное или тау-нейтрино при распространении на конечное расстояние. Реакторы предоставляют уникальную возможность для таких исследований, поскольку испускают практически чистый поток электронных антинейтрино.
Основные параметры, определяющие вероятность осцилляции, зависят от квадрата разности масс нейтрино Δm2, длины пути L и энергии E:
$$ P(\bar{\nu}_e \rightarrow \bar{\nu}_e) \approx 1 - \sin^2 2\theta \, \sin^2 \left( 1.27 \, \frac{\Delta m^2 L}{E} \right). $$
В этом уравнении L выражается в километрах, E — в МэВ, а Δm2 — в эВ².
Experiments Bugey, Goesgen, Rovno (1980–1990-е гг.) Реакторы во Франции, Швейцарии и СССР использовались для точных измерений потока антинейтрино на расстояниях от 10 до 100 м. Эти эксперименты подтвердили предсказанный спектр и вероятность взаимодействия, но также выявили некоторые аномалии, такие как так называемый «реакторный антинейтринный аномалийный дефицит» (RAA), проявляющийся в систематически меньшем числе зарегистрированных событий по сравнению с теоретическими расчётами.
CHOOZ (Франция, 1990-е гг.) Установка CHOOZ, расположенная на расстоянии ~1 км от реактора, показала отсутствие значимого дефицита антинейтрино, что позволило наложить ограничения на угол смешивания θ13.
KamLAND (Япония, 2000-е гг.) Огромный детектор, наполненный жидким сцинтиллятором (объём порядка килотонн), был размещён на расстояниях ~100–200 км от нескольких реакторов. Кампания наблюдений выявила явный дефицит электронных антинейтрино и продемонстрировала характерное изменение спектра с расстоянием, что стало решающим подтверждением гипотезы нейтринных осцилляций. Эксперимент KamLAND позволил точно измерить параметр Δm212, связанный с солнечными нейтрино.
Daya Bay, RENO, Double Chooz (2010-е гг.) Эти эксперименты были специально спроектированы для точного измерения угла θ13. Благодаря использованию системы «ближних» и «дальних» детекторов, они смогли минимизировать систематические ошибки, связанные с неопределённостью исходного потока. Результаты подтвердили ненулевое значение θ13, что стало важнейшим шагом в развитии физики нейтрино.
Сравнение данных экспериментов последних десятилетий с новыми теоретическими расчётами спектра реакторных антинейтрино выявило расхождения в 5–7 %. Это породило гипотезу о возможном существовании стерильных нейтрино — частиц, взаимодействующих только гравитационно и через смешивание с активными нейтрино. Для проверки этой гипотезы в последние годы ведутся многочисленные короткобазовые эксперименты (NEOS, DANSS, STEREO и др.), которые исследуют спектр и поток антинейтрино на расстояниях десятков метров от реактора.
Современные реакторные эксперименты сосредоточены на нескольких ключевых задачах:
Реакторы продолжают оставаться уникальной лабораторией для нейтринной физики, обеспечивая интенсивные, контролируемые и предсказуемые источники частиц, которые позволяют одновременно проводить как прикладные исследования, так и решать фундаментальные вопросы структуры материи.