КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-12-00135

НазваниеИсследование эффекта упругого когерентного рассеяния электронных антинейтрино на ядрах ксенона

РуководительБолоздыня Александр Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2018 г. - 2020 г. 

Конкурс№28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые слованейтрино, когерентное рассеяние, тяжёлое ядро, ксенон, мониторинг, ядерный реактор, сечение взаимодействия

Код ГРНТИ29.05.37


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Целью проекта является исследование процесса упругого когерентного рассеяния электронных антинейтрино на ядрах ксенона в эксперименте на энергетическом ядерном реакторе. Процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино (УКРН) был обнаружен в 2017 году в эксперименте международной коллаборации COHERENT, в состав которой входят и исполнители данного проекта, на сильноточном ускорительном источнике нейтронов Spallation Neutron Source, который генерирует смесь нейтрино трёх типов с относительно высокой энергией (до 50 МэВ). Теперь стоит задача детального исследования процесса с помощью нейтрино определенного типа. В данном проекте предлагается для регистрации УКРН использовать двухфазный эмиссионный детектор РЭД-100, содержащий 200 кг жидкого ксенона в качестве рабочего вещества, который был построен объединенной группой физиков, входящих в состав данного проекта, в НИЯУ МИФИ в 2011-2015 гг., благодаря гранту правительства РФ по постановлению №220. В настоящее время детектор проходит наладочные работы в межкафедральной лаборатории экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ (ЛЭЯФ, http://enpl.mephi.ru/). Для проведения эксперимента предполагается установить детектор РЭД-100 на блоке №3 Калининской АЭС (г. Удомля Тверской обл.). Техническая возможность постановки такого эксперимента подтверждается компьютерным моделированием (п.4.14) и протоколом, подписанным представителями данной научной группы с администрацией Калининской АЭС в 2016 году (п.4.15). Проект лежит в русле сотрудничества организаций, к которым относятся исполнители данного проекта, что подтверждено соответствующим соглашением о научно-техническом сотрудничестве по созданию установок для регистрации и исследования свойств нейтрино и развитию перспективных технологий регистрации нейтрино и других частиц и излучений (п.4.15). Актуальность проекта подтверждается тем, что в настоящее время международное научное сообщество прикладывает значительные усилия для исследования эффекта когерентного рассеяния нейтрино на тяжёлых ядрах, отличающегося значительным сечением взаимодействия, пропорциональным квадрату числа нейтронов в ядре. Ожидается, что эксперименты нового поколения по прямой регистрации тёмной материи с помощью детекторов с массой рабочего вещества несколько тонн (например, эксперимент LZ) смогут регистрировать когерентное рассеяние солнечных нейтрино. Значимость ожидаемых результатов подтверждается тем, что процесс УКРН является чувствительным пробником новых физических процессов за пределами Стандартной модели, о существовании которых уже существуют косвенные указания. В результате выполнения предлагаемого проекта будет исследовано фундаментальное явление упругого когерентного рассеяния нейтрино на массивных ядрах ксенона и отработана новая технология регистрации нейтрино, которая может использоваться для независимого мониторинга активной зоны ядерных реакторов, например, в интересах МАГАТЭ, с помощью относительно компактных, недорогих и мобильных приборов. Ключевым фактором является то обстоятельство, что в НИЯУ МИФИ уже построен уникальный детектор, чувствительный к одиночным электронам, использующий эмиссионный принцип детектирования ионизующих частиц, также предложенный в свое время в МИФИ, и в настоящее время широко используемый в мире в экспериментах по прямой регистрации частиц тёмной материи. У научного коллектива есть опыт в создании и эксплуатации физических установок для получения уникальных физических результатов, включая участие в международных экспериментах LZ, LUX, XENON, ZEPLIN, CDMS, DarkSide по поиску тёмной материи во Вселенной, EXO-200 по поиску двойного безнейтринного бета-распада, нейтринного детектора BOREXINO, а также в физике высоких энергий на установках ATLAS и ALICE в ЦЕРНе. Работающая на реакторном источнике нейтрино экспериментальная установка РЭД-100 будет служить центром превосходства в области нейтринной физики и может использоваться для привлечения сотрудничества с мировым научным сообществом в области физики нейтрино. В частности, уже достигнута предварительная договоренность о сотрудничестве в этой области с международной коллаборацией COHERENT, в состав которой входят представители 14 университетов России, Южной Кореи и США, а также с группой физиков-теоретиков во главе с проф. Сергеем Коваленко в Техническом университете Федерико Санта Марии (город Вальпараисо, Чили).

Ожидаемые результаты
В результате выполнения предлагаемого проекта будет исследовано фундаментальное явление упругого когерентного рассеяния электронных антинейтрино на массивных ядрах ксенона и отработана новая технология регистрации реакторных нейтрино, которая может использоваться для независимого мониторинга активной зоны ядерных реакторов с целью повышения безопасности атомной энергетики, а также для контроля за исполнением международных программ нераспространения под эгидой МАГАТЭ, с помощью относительно компактных, недорогих и мобильных приборов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 году проведены полномасштабные лабораторные испытания детектора РЭД-100 (см.файл с дополнительными материалами в п.1.6 ). Подготовка эксперимента заняла 3 месяца и включала очистку ксенона от электроотрицательных и молекулярных примесей. Криогенные испытания детектора, заполненного 205 кг жидкого ксенона, заняли 48 суток. Экспериментальные исследования были проведены 20 сотрудниками экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ. Обработка результатов эксперимента заняла четыре месяца. Основной результат испытаний: показано, что, во-первых, за время работы детектора было достигнуто время жизни квазисвободных электронов до захвата электроотрицательными примесями в жидком ксеноне 450+/-30 микросекунд, а, во-вторых, детектор РЭД-100 способен регистрировать ионизационные события, состоящие из одиночных электронов, и различать одно- и двух-электронные события. Выход фотоэлектронов при регистрации одно-электронных событий составил в среднем 25+/-5 фотоэлектронов на один ионизационный электрон. Продемонстрирована также способность детектора к идентификации по энерговыделению событий, вызванных космическими мюонами, гамма-квантами, а также определение пространственного распределения гамма-фона с точностью порядка одного сантиметра. Первое физическое испытание детектора выявило и один существенный недостаток РЭД-100: скорость счета одноэлектронных фонов, связанных с «загрязнением» поверхности раздела фаз электронами от космических мюонов, составила несколько кГц, что неприемлемо для постановки заявленного эксперимента. Причина повышенного фона заключалась в том, что при тех электрических полях, которые позволяет конструкция детектора прикладывать к поверхности раздела фаз, вероятность эмиссии электронов не превышает 80%, что приводит к накоплению под поверхностью раздела фаз неэмттированных электронов, которые имеют энергетическое распределение со средней энергией температуры окружающей среды и с конечной вероятностью могут спонтанно эмитировать из жидкого ксенон в газ, создавая одноэлектронный шум. В результате проведённых работ было найдено инновационное решение, которое заключается в дополнении конструкции электродной системы детектора РЭД-100 электронным затвором, блокирующим прохождение электронов, рождённых в жидком ксеноне космическими мюонами, через поверхность раздел фаз [1]. На втором этапе работ была разработана конструкция и изготовлен электронный затвор, которым был дооборудован детектор РЭД-100, а также проведены испытания работы детектора, оснащённого электронным затвором. Кроме того, с целью улучшения энергетического разрешения РЭД-100 при регистрации событий с относительно большими энерговыделениями (0.1-2.0 МэВ), проведены работы по калибровке верхней матрицы фотоэлектронных умножителей путём сканирования плоскости электролюминесцнтного зазора с помощью альфа-источника и тонкого сцинтиллятора, перемещаемых мехническим способом. В 2018 году проведено исследование фоновых условий на месте постановки эксперимента на 4м блоке КАЭС с помощью специального детектора. Результаты измерения фонов на месте предполагаемой установки детектора РЭД-100 использовались для компьютерного моделирования возможности постановки эксперимента с учетом реальных фоновых условий. Работы по подготовке эксперимента по исследованию когерентного расcеяния нейтрино на Калининскай АЭС с помощью созданного в НИЯУ МИФИ уникального детектора РЭД-100 вызывают повышенный интерес новой смены физиков-экспериментаторов [2], а также представителей зарубежных СМИ, включая информационное агентство AskaNews (Италия), информационное агентство Independent (ЮАР), журнал Eos (Бельгия), газета Der Standard (Австрия), информационное агентство VNA (Вьетнам), информационное агентство БТА (Болгария), информационное агентство IANS (Индия) [3], недавно посетивших лабораторию экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ, где ведутся работы по подготовке детектора РЭД-100 к эксперименту на КАЭС. Ссылки [1] Акимов Д.Ю., Болоздыня А.И., Коновалов А.М. и др. Двухфазный эмиссионный низкофоновый детектор, Патент на полезную модель RU184222U1, Дата подачи заявки 03.07.2018, Дата регистрации 18.10.2018 [2] Новости университета НИЯУ МИФИ, 23.11.2018, https://mephi.ru/content/news/1810/129647/ [3] Новости университета НИЯУ МИФИ, 27.11.2018, https://mephi.ru/content/news/1387/129660/

 

Публикации

1. Акимов Д.Ю., Белов В.А., Бобков С.В., Болоздыня А.И. Synthesis of Titanium Nanoparticles in Liquid Xenon by a High-Voltage Discharge Technical Physics Letters, Vol. 44, No. 7, pp. 637-639 (год публикации - 2018)

2. Акимов Д.Ю., Белов В.А., Болоздыня А.И., Ефременко Ю.В., Коновалов А.М., Кумпан А.В., Рудик Д.Г., Сосновцев В.В., Хромов А.В., Шакиров А.В. Упругое когерентное рассеяние нейтрино на атомном ядре – недавно обнаруженный тип взаимодействия нейтрино низких энергий Успехи физических наук, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.05.038356

3. Акимов Д.Ю., Болоздыня А.И., Коновалов А.М., Кумпан А.В. Двухфазный эмиссионный низкофоновый детектор Федеральная служба по интеллектуальной собственности, RU184222U1 (год публикации - 2018)

4. - Зарубежные СМИ познакомились с современными исследованиями НИЯУ МИФИ Веб-сайт Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, Новости университета 27.11.2018 (год публикации - )

5. - Foreign Media Got Acquainted with R & D being Carried out at NRNU MEPhI Веб-сайт Лаборатории экспериментальной ядерной физики, Новости ЛЭЯФ 21.11.2018 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В НИЯУ МИФИ создан детектор нейтрино нового типа РЭД-100. Неуловимая элементарная частица нейтрино, которую в научно-популярной литературе называют «частицей-призраком», и за которой «охотятся» ученые по всему миру, появляется в ядерных реакциях, происходящих в звездах, на Солнце и в ядерных реакторах, и несёт информацию о процессах и состоянии среды, в которой происходят эти реакции. Нейтрино легко проходят через массивную бетонную защиту и оборудование атомных электростанций. Поэтому нейтринный детектор можно использовать для дистанционного контроля процессов, происходящих в активной зоне ядерного реактора с целью повышения безопасности атомной энергетики. Такой детектор можно использовать также для контроля за изотопным составом активной зоны реактора, который изменяется в процессе работы реактора и при этом происходит наработка изотопов, который могут быть использованы для производства ядерного оружия. Удалённый и независимый контроль за изотопным составом активной зоны энергетического реактора позволит предотвратить неконтролируемое изъятие таких изотопов с целью содействия выполнению международных соглашений о нераспространении ядерного оружия. Сенсор нейтринного излучения РЭД-100 разработан российскими учеными в лаборатории экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ. Основу этого сверхчувствительного детектора нового поколения составляет жидкий ксенон, помещенный в титановый криостат. Взаимодействие нейтрино с атомным ядром ксенона приводит к появлению свободных электронов, которые вызывают сильное свечение газа, что позволяет легко его зарегистрировать. Применив новый физический принцип работы, ученые сконструировала компактный детектор высокой чувствительности. В 2019 году завершены лабораторные испытания детектора и построена сборка установки в конфигурации, предназначенной для размещения детектора РЭД-100 на АЭС. Разработка уже привлекла внимание Госкорпорации "Росатом", а также руководства Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). Первые испытания уникального оборудования запланировано провести на Калининской АЭС в Тверской области в 2020 году.​

 

Публикации

1. Акимов Д.Ю., Белов В.А., Бобков С.В. и др. Synthesis of Titanium Nanoparticles in Liquid Xenon by a High-Voltage Discharge Technical Physics Letters, Volume 44, Issue 7, Pages 637-639 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S1063785018070179

2. Акимов Д.Ю., Белов В.А., Болоздыня А.И. и др. Two-phase Emission Liquid Xenon Detector RED-100 for Observation of Reactor Neutrino Coherent Scattering off Xenon Nuclei ЛЭЯФ НИЯУ МИФИ. Сборник трудов. Выпуск 3. Москва: НИЯУ МИФИ, стр. 5-33 (год публикации - 2019)

3. Акимов Д.Ю., Белов В.А., Болоздыня А.И. и др. An Integral Method for Processing Xenon Used as a Working Medium in the RED-100 Two-Phase Emission Detector, An Integral Method for Processing Xenon Used as a Working Medium in the RED-100 Two-Phase Emission Detector Instruments and Experimental Techniques, Volume 62, Issue 4, Pages 457-463 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S002044121904002X

4. Акимов Д.Ю., Белов В.А., Болоздыня А.И., Ефременко Ю.В., Коновалов А.М., Кумпан А.В., Рудик Д.Г., Сосновцев В.В., Хромов А.В., Шакиров А.В. Упругое когерентное рассеяние нейтрино на атомном ядре — недавно обнаруженный тип взаимодействия нейтрино низких энергий Успехи Физических Наук, том 189, номер 2, стр. 173-186 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.05.038356

5. Авторы: Акимов Д.Ю., Болоздыня А.И., Сосновцев В.В., Хромов А.В., Шакиров А.В. Устройство для очистки жидких благородных газов от высокомолекулярных и электроотрицательных примесей -, №191338 (год публикации - )

6. - «Предотвратить второй Чернобыль»: российский детектор нейтринного излучения испытают на АЭС РНФ, 7 ноября 2019 г. Метки: Физика и космос Источник: Russia Today (год публикации - )

7. - Российский детектор нейтрино подготовили для испытаний на АЭС ТАСС Наука, 7 НОЯ, 13:44 (год публикации - )

8. - «Предотвратить второй Чернобыль»: российский детектор нейтринного излучения испытают на АЭС Russia Today, 7 ноября 2019, 08:57 Арсений Скрынников (год публикации - )

9. - Российский эмиссионный детектор нейтринного излучения готов к испытаниям на АЭС Газета.ru, 08.11.2019 | 14:32 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 году завершено проведение лабораторных испытаний установки РЭД-100 в полной сборке, включая медно-водную радиационную защиту. В результате проведенных испытаний показано, что детектор РЭД-100, несмотря на наличие интенсивного одноэлектронного шума, связанного с облучением рабочей среды детектора высокоэнергичными космическими частицами, позволяет различать события, состоящие из 1-2-3 и более электронов ионизации в объеме несколько кубических сантиметров рабочего вещества детектора (жидкого ксенона) и,таким образом, обеспечивает возможность наблюдения упругого когерентного рассеяния электронных антинейтрино от реактора на ядрах ксенона в условиях Калининской АЭС. Ссылки на информационные ресурсы в 2020 г. в сети Интернет, посвященные проекту: 1. https://www.atomic-energy.ru/news/2020/11/03/108442 В МИФИ разработали детектор РЭД‑100 для регистрации поступающего от ядерного реактора потока нейтрино. Atomic-Energy.Ru. 3 ноября 2020 2. https://strana-rosatom.ru/2020/11/02/%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5-%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D0%B4%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BA/ Российские ученые разработали детектор для регистрации потока нейтрино. Страна РОСАТОМ. 2 ноября 2020 3. https://www.vesti.ru/nauka/article/2455630 Не спрятаться: новый детектор МИФИ изучит любой ядерный реактор на расстоянии. ВЕСТИ.RU. 09 сентября 2020. 4. https://school.msk.ru/nauchnye-otkrytiya-reaktor-nejtrino/ Детектор «Доктор Нейтрино». Школа/Москва. 25 марта 2020.

 

Публикации

1. авторы не указаны Российские ученый разработали детектор для регистрации нейтрино интернет издание "Атомная Энергия 2.0", - (год публикации - 2020)

2. авторы не указаны КАЭС стала площадкой для детектора для регистрации потока нейтрино РЭД-100 интернет-изданиие "АиФ-Тверь", - (год публикации - 2021)

3. Акимов Д.Ю., Александров И.С., Белов В.А. и др. Пассивная защита нейтринного детектора РЭД-100 Приборы и техника эксперимента, - (год публикации - 2021)

4. Акимов Д.Ю., Белов В.А., Болоздыня А.И. и др. First ground-level laboratory test of the two-phase xenon emission detector RED-100 Journal of Instrumentation, 2020 JINST 15 P02020 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1748-0221/15/02/P02020

5. не указаны Нейтринный контроль Газета "Страна РОСАТОМ", №29 (493), стр.2 (год публикации - 2021)

6. не указаны Российский детектор нейтрино подготовили для испытаний на АЭС. https://nauka.tass.ru/nauka/7088339 (2019) интернет издание ТАСС, - (год публикации - )

7. Болоздыня А.И. Review of two-phase emission detectors R&D Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/issn.1742-6596

8. Акимов Д., Болоздыня А.И., Бузулуцков А.Ф., Чепель В.И. Two-phase emission detectors World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 5 Toh Tuck Link, Singapore 596224, - (год публикации - 2021)

9. - Российский эмиссионный детектор нейтринного излучения готов к испытаниям на АЭС Рамблер/новости, Российские ученые провели лабораторный тест эмиссионного детектора РЭД-100. Работа поддержана грантом Российского научного фонда. (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Главным результатом проекта является завершение подготовки к эксперименту, настройка и отладка установки РЭД-100 до такого состояния, когда становится возможным регистрация реакторных нейтрино с помощью эффекта упругого когерентного рассеяния (УКРН) на ядрах ксенона в условиях Калининской АЭС. Сечение УКРН на ядрах ксенона обладает значительной величиной (в ~700 раз превосходящим сечение обратного бета-распада, обычно используемого для регистрации нейтрино), что позволяет рассчитывать на эффективную регистрацию реакторных нейтрино с помощью относительно небольшого детектора. В случае экспериментального подтверждения этой возможности при экспозиции РЭД-100 на Калининской АЭС откроется уникальная возможность создания мобильных детекторов для независимого мониторинга состояния активной зоны ядерных реакторов любого типа, включая контроль за изменением изотопного состава активной зоны реактора. В перспективе устройства такого типа могут быть использованы как для повышения безопасности атомной энергетики, так и для поддержания соблюдения международных соглашений по нераспространению ядерного оружия.