Das Neutrino, eines der schwer fassbaren und am wenigsten verstandenen subatomaren Teilchen der Natur, interagiert selten mit Materie. Das macht Präzisionsstudien des Neutrinos und seines Antimateriepartners, des Antineutrinos, zu einer Herausforderung. Die stärksten Neutrino-Emittenten auf der Erde – Kernreaktoren – spielen eine Schlüsselrolle bei der Untersuchung dieser Teilchen. Forscher haben das Precision Reactor Oscillation and Spectrum Experiment (PROSPECT) für detaillierte Studien von Elektronenantineutrinos entwickelt, die aus dem Kern des High Flux Isotope Reactor (HFIR) stammen.
Jetzt hat die Forschungskooperation PROSPECT die präziseste Messung des Energiespektrums von Antineutrinos veröffentlicht, die bei der Spaltung von Uran-235 (U-235) emittiert werden. Diese Ergebnisse liefern Wissenschaftlern neue Informationen über die Natur dieser Partikel.
Die Mitarbeiter von PROSPECT repräsentieren mehr als 60 Teilnehmer von 13 Universitäten und vier nationalen Labors. Sie bauten ein neuartiges Antineutrino-Detektorsystem und installierten es mit umfassender, maßgeschneiderter Abschirmung gegen den Hintergrund im HFIR-Forschungsreaktor, einer Benutzereinrichtung des Office of Science des Department of Energy (DOE) am Oak Ridge National Laboratory. Der Forschungsschwerpunkt liegt auf Antineutrinos, die bei der Spaltung von U-235 entstehen. Antineutrinos entstehen durch nuklearen Beta-Zerfall und sind Antimaterie-Partikel-Gegenstücke zu Neutrinos.
PROSPECT lieferte Einblicke in die grundlegende Neutrinophysik und ist ein leistungsstarkes Werkzeug zum besseren Verständnis nuklearer Prozesse in Spaltreaktoren. PROSPECT hat nun die genaueste Messung des Antineutrino-Energiespektrums von U-235 gemeldet. Darüber hinaus bietet es neue Einschränkungen für den Ursprung der beobachteten Nichtübereinstimmung zwischen Datenmodell. Diese Ergebnisse haben den Bedarf an besseren Modellen zur Beschreibung der Produktion von Antineutrinos aus spaltbaren Isotopen deutlich gemacht. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Wissenschaftler interessieren sich für die Eigenschaften des Neutrinos, weil sie einen direkten Test des Standardmodells der Teilchenphysik ermöglichen. Dies ist die Theorie, die die Wechselwirkungen zwischen allen fundamentalen Teilchen im Universum beschreibt. Vorschläge für die Physik, die nicht durch das Standardmodell erklärt werden können, sind auf Unstimmigkeiten zwischen den auf dem Modell basierenden Vorhersagen und Daten aus Experimenten zurückzuführen. Diese reaktorbasierten Experimente haben weniger Neutrinos als erwartet entdeckt und Inkonsistenzen in einem kleinen Bereich des Energiespektrums festgestellt.
Das neue Ergebnis der PROSPECT-Kollaboration geht diese Inkonsistenzen direkt an. Das Ergebnis stellt ein neues Referenzenergiespektrum bereit. Es bietet auch neue Einschränkungen hinsichtlich der Ursache der Meinungsverschiedenheiten zwischen Daten und Modellen.
Experimente in Kernreaktoren haben wichtige Meilensteine in der Neutrinophysik erreicht, beispielsweise den ersten experimentellen Nachweis des Teilchens und die Bestätigung, dass Neutrinos auf ihrer Reise zwischen den Typen wechseln. Einzigartige Merkmale wie eine hohe Intensität und ein kompakter Kern aus hochangereichertem U-235-Brennstoff machen HFIR zu einem idealen Standort, um diese lange Verbindung zwischen Reaktoren und neuen Erkenntnissen über die Eigenschaften von Neutrinos fortzusetzen.
Mehr Informationen:
M. Andriamirado et al., Endgültige Messung des U235-Antineutrino-Energiespektrums mit dem PROSPECT-I-Detektor am HFIR, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021802