خاموش کردن یک رآکتور هسته‌ای، واکنش زنجیره‌ای را متوقف می‌کند، اما رآکتور را به طور کامل بی‌صدا نمی‌سازد. مدت‌ها پس از تاریک شدن هسته رآکتور، پاره‌های رادیواکتیوِ به جا مانده از شکافت هسته‌ای همچنان به واپاشی ادامه می‌دهند و جریان ضعیفی از ذرات تقریباً غیرقابل‌کشف به نام «پادنوترینو» (Antineutrino) آزاد می‌کنند.
اکنون دانشمندان برای اولین بار این سیگنال ماندگار را به صورت مستقیم اندازه‌گیری کرده‌اند. پژوهشگران با استفاده از آزمایش «دبل شوز» (Double Chooz) در فرانسه، پادنوترینوهای ساطع‌شده پس از خاموشی دو رآکتور هسته‌ای را ثبت کردند. این یافته، «پس‌تابِ» ذراتِ ناشی از سوختِ نسبتاً مصرف‌شده در هسته‌ها و سوخت‌های مصرف‌شده‌ای را که در نزدیکی آن ذخیره شده بودند، آشکار ساخت.
این نتیجه در نهایت می‌تواند روشی جدید در اختیار بازرسان هسته‌ای قرار دهد تا حتی زمانی که یک تأسیسات غیرفعال است، فعالیت رآکتور را راستی‌آزمایی کرده و موجودی سوخت مصرف‌شده را پایش کنند. از آنجایی‌که پادنوترینوها بدون زحمت چندانی از دیواره‌های رآکتور، سپرها و سنگ‌های اطراف عبور می‌کنند، می‌توانند اطلاعاتی را از مکان‌هایی حمل کنند که در غیر این صورت مشاهده مستقیم آن‌ها دشوار است.
این مطالعه که در مجله Physical Review Letters منتشر شده، به سرپرستی آنتونی اونیلون (Anthony Onillon) و تیری لاسر (Thierry Lasserre) از موسسه فیزیک هسته‌ای ماکس پلانک (MPIK) در هایدلبرگ آلمان انجام شده است. این تحقیق، اولین اندازه‌گیری کمی از شار پادنوترینوی باقی‌مانده پس از خاموش شدن رآکتورها را ارائه می‌دهد.
پادنوترینوها در طول شکافت هسته‌ای به تعداد بسیار زیادی تولید می‌شوند، اما شناسایی آن‌ها فوق‌العاده دشوار است؛ زیرا به ندرت با ماده برهم‌کنش دارند. بیشتر آن‌ها بدون به جا گذاشتن هیچ اثری، مستقیماً از دیواره‌های رآکتور، محافظ‌ها و محیط اطراف عبور می‌کنند. همین ویژگی، آن‌ها را به پیام‌رسان‌های باارزشی تبدیل می‌کند؛ چرا که برخلاف گرما، پرتوها یا سایر سیگنال‌های متداول، پادنوترینوها را نمی‌توان به راحتی مسدود یا پنهان کرد.
پس از خاموشی، خروجی شدید پادنوترینو ناشی از شکافت فعال به سرعت کاهش می‌یابد. با این حال، با ادامه واپاشی محصولات شکافتِ دیرزیست (با طول عمر بالا) در سوخت‌های نسبتاً مصرف‌شده در داخل رآکتور و در مجتمع‌های سوخت مصرف‌شده در استخرهای خنک‌کننده، سیگنال بسیار ضعیف‌تری باقی می‌ماند. این گسیلِ باقی‌مانده می‌تواند برای ماه‌ها یا سال‌ها ادامه داشته باشد.
آزمایش دبل شوز چگونه پادنوترینوها را شناسایی می‌کند؟
آشکارساز «دبل شوز» در زیر زمین در نیروگاه هسته‌ای شوز (Chooz) در شمال فرانسه، در فاصله حدود ۴۰۰ متری از دو هسته رآکتور این نیروگاه نصب شده است. این آشکارساز حاوی بیش از ۳۰ متر مکعب سوسوزن مایع (Liquid scintillator) است که با برهم‌کنش برخی ذرات در داخل آن، جرقه‌های کوتاهی از نور تولید می‌کند.
تیری لاسر از گروه تحقیقاتی مستقل OMINA (واقع در موسسه ماکس پلانک) توضیح می‌دهد:
پادنوترینوها بسیار به ندرت با ماده برهم‌کنش دارند. با این حال، زمانی که یکی از آن‌ها در داخل آشکارساز دبل شوز برهم‌کنش می‌کند، یک سیگنال نوری دوتاییِ مشخص تولید می‌شود که می‌توان آن را از رویدادهای پس‌زمینه تشخیص داد.
این دو جرقه به طور هم‌زمان رخ نمی‌دهند. برهم‌کنش پادنوترینو ابتدا یک پوزیترون تولید کرده و یک گسیل نوری فوری ایجاد می‌کند. سپس نوترونی که در همان برهم‌کنش به وجود آمده، مدت کوتاهی بعد به دام می‌افتد و جرقه دوم را تولید می‌کند. شناسایی این جفت‌سیگنالِ زمان‌بندی‌شده به پژوهشگران کمک می‌کند تا رویدادهای واقعی پادنوترینو را از رادیواکتیویته طبیعی، پرتوهای کیهانی و سایر سیگنال‌های پس‌زمینه تفکیک کنند.
اولین اندازه‌گیری مستقیم سیگنال باقی‌مانده
تیم همکاری علمی، ۱۷٫۲ روز از داده‌های جمع‌آوری‌شده در زمانی که هر دو رآکتور شوز کاملاً خاموش بودند را مورد مطالعه قرار داد. در محدوده انرژی که سیگنال باقی‌مانده قوی‌ترین حالت را داشت، آشکارساز ۱۰۶ رویداد کاندید را با عدم قطعیت ۱۸ رویداد ثبت کرد. این کشف به اهمیت آماری ۵٫۹ سیگما رسید که بسیار بالاتر از استانداردی است که معمولاً برای ادعای یک کشف در فیزیک ذرات استفاده می‌شود.
شبیه‌سازی‌های دقیق رآکتور، ۸۸ رویداد را با عدم قطعیت ۷ پیش‌بینی کرده بودند. تطابق نزدیک بین اعداد مشاهده‌شده و پیش‌بینی‌شده، اولین آزمون تجربی مستقیم را برای مدل‌هایی ارائه می‌دهد که پادنوترینوهای ناشی از رآکتورهای خاموش و سوخت هسته‌ای ذخیره‌شده را توصیف می‌کنند.
دکتر اونیلون می‌افزاید:
تاکنون، آزمایش‌های پادنوترینوی رآکتور عمدتاً بر روی رآکتورهای در حال کار متمرکز بودند، جایی که شار پادنوترینو بسیار بزرگ‌تر است. کشف سیگنال ناچیزِ باقی‌مانده پس از خاموشی، نیازمند پس‌زمینه‌های فوق‌العاده کم و تکنیک‌های تحلیل دقیقی بود که توسط تیم دبل شوز طی سالیان متمادی توسعه یافته است.
پایش هسته‌ای و آزمایش‌های آینده
از آنجا که پادنوترینوها از میان حفاظ‌ها آزادانه حرکت کرده و اطلاعات مربوط به واپاشی رادیواکتیو را با خود حمل می‌کنند، آشکارسازهای آینده ممکن است راهی مستقل برای راستی‌آزمایی وضعیت رآکتور یا پایش تغییرات در ذخایر سوخت مصرف‌شده ارائه دهند. محققان از هم‌اکنون آزمایش میزان کارایی این روش را در محیط‌های دیگر آغاز کرده‌اند.
نتایج اولیه JUNO-TAO که در کنفرانس نوترینو ۲۰۲۶ ارائه شد نشان می‌دهد این تیم در حال تحلیل داده‌های زمان خاموشی رآکتور است تا پادنوترینوهای ساطع‌شده از سوخت مصرف‌شده را تفکیک کند. اندازه‌گیری دبل شوز اکنون اولین معیار منتشرشده برای ارزیابی و مقایسه مشاهدات آینده را فراهم کرده است.
پروژه دبل شوز در اصل برای هدف دیگری ساخته شده بود: مطالعه نوسانات نوترینو، یعنی فرآیندی که طی آن نوترینوها در هنگام حرکت از یک نوع به نوع دیگر تغییر می‌یابند. این آزمایش به اندازه‌گیری زاویه اختلاط
θ13 کمک کرد؛ مقداری بنیادی که تلاش‌های بعدی را برای بررسی تفاوت‌های احتمالی بین ماده و پادماده در بخش نوترینو شکل داد. با این کارِ اخیر، دبل شوز به نقطه عطف دیگری دست یافته است: تبدیل شدن به اولین آزماشی که تابش ضعیف پادنوترینو را که پس از تاریک شدن رآکتور باقی می‌ماند، کشف کرده است.
منبع: Scitechdaily
