Анализ результатов первого эксперимента по регистрации реакторных электронных антинейтрино с помощью эффекта упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона, модернизация установки РЭД-100 с целью оптимизации методики регистрации реакторных электронных антинейтрино и подготовка эксперимента с модернизированной версией детектора РЭД-100 по испытанию методики независимого мониторинга состояния активной зоны реактора с помощью нейтринного излучения

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 проекта 22-12-00082

НазваниеАнализ результатов первого эксперимента по регистрации реакторных электронных антинейтрино с помощью эффекта упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона, модернизация установки РЭД-100 с целью оптимизации методики регистрации реакторных электронных антинейтрино и подготовка эксперимента с модернизированной версией детектора РЭД-100 по испытанию методики независимого мониторинга состояния активной зоны реактора с помощью нейтринного излучения

Руководитель Болоздыня Александр Иванович, Доктор физико-математических наук

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

Конкурс №68 - Конкурс 2022 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 слова нейтрино, безопасность атомной энергетики, мониторинг активной зоны реактора, контроль выполнения международных программ нераспространения атомного оружия

Код ГРНТИ29.03.47; 29.15.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время НИЯУ МИФИ в рамках договора №313/1679-Д от 16.09.2019 на выполнение научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы по теме «Разработка нейтринного детектора для дистанционного контроля активной зоны реактора на новых физических принципах» с АО «Наука и инновации» госкорпорации Росатом ставится эксперимент на Калининской АЭС, целью которого является испытание нейтринного детектора нового поколения, основанного на новом физическом явлении – упругом когерентном рассеянии нейтрино (УКРН) на тяжёлых атомных ядрах. Эффект открыт в 2017 году при участии авторов проекта в международном эксперименте COHERENT. В качестве экспериментального оборудования используется установка РЭД-100, созданная в НИЯУ МИФИ на средства мега-гранта Министерства образования и науки РФ в 2011-2016 гг. и испытанная в лабораторных условиях, благодаря поддержке РНФ (грант № 18-12-00135, 2018-2020 гг.). Предполагается, что с помощью этой уникальной установки будет впервые зарегистрированы электронные антинейтрино от ядерного реактора с использованием процесса УКРН на ядрах ксенона. Исследование процесса УКРН в широком диапазоне энергий и атомных номеров открывает уникальную возможность проверки наличия "новой физики" в нейтринном секторе путём сравнения, предсказанного в рамках Стандартной модели сечения взаимодействия нейтрино, с экспериментальными данными. В случае успеха открывается возможность создания детекторов реакторных нейтрино с эффективностью регистрации нейтринного излучения реактора почти на три порядка выше по сравнению с известными технологиями и тем самым становится возможным создание нового поколения компактной и мобильной диагностической аппаратуры для независимого мониторинга активной зоны ядерных реакторов АЭС с целью повышения безопасности атомной энергетики и поддержания международных программ по нераспространению ядерного оружия. Целью данного проекта является анализ результатов первого эксперимента по регистрации реакторных электронных антинейтрино с помощью эффекта упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона, модернизация действующей установки РЭД-100 с целью оптимизации методики регистрации реакторных электронных антинейтрино и подготовка эксперимента с новой модернизированной версией детектора РЭД-100 для испытания оптимизированной методики мониторинга состояния активной зоны ядерного реактора с помощью нейтринного излучения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Акимов Д.Ю., Александров И.С., Белов В.А., А.И. Болоздыня А.И. и др. Электронный шум, генерируемый космическими мюонами в двухфазном ксеноновом эмиссионном детекторе РЭД-100 Приборы и техника эксперимента (год публикации - 2023)

2. Акимов Д.Ю., Александров И.С., Алыев Р.Р., Белов В.А., Болоздыня А.И. и др. The RED-100 experiment Journal of Instrumentation (год публикации - 2023)
10.48550/arXiv.2209.15516

3. Галаванов А.В., Кумпан А.В., Салахутдинов Г.Х., Сосновцев В.В., Шакиров А.В. Установка для исследования газовых смесей для трёхкаскадного газового электронного умножителя Приборы и техника эксперимента (год публикации - 2023)

4. Акимов Д.Ю., Александров И.С., Белов В.А., Болоздыня А.И. и др. Characterization of the ambient background in the RED-100 experiment location at Kalinin Nuclear Power Plant JINST, D.Y. Akimov et al 2023 JINST 18 P12002 (год публикации - 2023)
10.1088/1748-0221/18/12/P12002

5. Аалбертс Дж., Абдус Салам С.С., Абе К., Аерне В., Агостини Ф., Ахмед Маолауд С., Акериб Д.Ю., Акимов Д.Ю. и др. A next-generation liquid xenon observatory for dark matter and neutrino physics J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 50 (2023) 013001, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 50 (2023) 013001 (год публикации - 2023)

6. Коллаборация РЭД Using the Two-Phase Emission Detector RED-100 at NPP to Study Coherent Elastic Neutrinos Scattering off Nuclei, Physics 2023, 5, 492–498. Physics, MDPI, 5 (2023) 492-498. (год публикации - 2023)
10.3390/physics5020034

7. ЛЭЯФ НИЯУ МИФИ ЛЭЯФ НИЯУ МИФИ. Сборник трудов. Выпуск 4. Москва, 2023 Сборник трудов, Сборник трудов ЛЭЯФ, Выпуск 4, 163 страницы, Национальный Исследовательский Ядерный Университет МИФИ (год публикации - 2023)

8. Акимов Д.Ю., Архангельский Д.М., Белов В.Н., Болоздыня А.И., Галаванов А.В. и др. Экспериментальные методы ядерной физики. Комплекс лабораторных работ. Экспериментальные методы ядерной физики. Комплекс лабораторных работ. - М.: НИЯУ МИФИ, 2023. - 104 с., ISBN-978-5-7262-2908-9 (год публикации - 2023)

9. Александров И.С., Белов В.А., Болоздыня А.И., Васин А.А., Галаванов А.В., Гусаков Ю.В. и др. Модернизация системы криостатирования эмиссионного детектора РЭД-100 для работы с жидким аргоном Приборы и техника эксперимента (год публикации - 2024)

10. Акимов Д.Ю., Александров И.С., Белов В.А., Болоздыня А.И., Этенко А.В., Галаванов А.В., Гусаков Ю.В., Хромов А.В., Коновалов А.М., Корноухов В.Н., Коваленко А.Г., Козлова Е.С., Кумпан А.В., Лукьяшин А.В., Пинчук А.В., Разуваева О.Е., Рудик Д.Г., Шакиров А.В., Симаков Г.Е., Сосновцев В.В., Васин А.А. First constraints on the coherent elastic scattering of reactor antineutrinos off xenon nuclei Physical Review D (год публикации - 2024)
10.48550/arXiv.2411.18641

11. Акимов Д.Ю., Александров И.С., Ата-Курбанова Ф.В., Белова В.А., Болоздыня А.И., Этенко А.В., Галаванов А.В., Гусаков Ю.В., Хромоа А.В., Коновалов А.М., Корноухов В.Н., Коваленко А.Г., Козлова Е.С., Коськин Ю.И., Кумпан А.В., Лукьяшин А.В., Пинчук А.В., Разуваева О.Е., Рудик Д.Г., Шакиров А.В., Симаков Г.Е., Сосновцев В.А., Васин А.А. Calibration and characterization of the RED-100 detector at the Kalinin Nuclear Power Plant Journal of Instrumentation, D.Yu. Akimov et al 2024 JINST 19 T11004 (год публикации - 2024)
10.1088/1748-0221/19/11/T11004

12. Разуваева О.Е. от имени коллаборации РЭД-100 RED-100 results & prospects Razuvaeva, O. (2024). RED-100 results & prospects. Zenodo. XXXI International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics June 16-22, 2024 Milan, Italy; https://zenodo.org/records/13853301, https://zenodo.org/records/13853301 Razuvaeva, O. (2024). RED-100 results & prospects. Zenodo. (год публикации - 2024)
10.5281/zenodo.13853300

13. Александров И.С., Белов В.А., Болоздыня А.И., Васин А.А., Галаванов А.В., Гусаков Ю.В., Коваленко А.Г., Козлова Е.С., Коновалов А.М., Корноухов В.Н., Кумпан А.В., Лукьяшин А.В., Пинчук А.В., Разуваева О.Е., Рудик Д.Г., Симаков Г.Е., Сосновцев В.В., Хромов А.В., Шакиров А.В., Этенко А.В. Upgrading the Cryogenic System of the RED-100 Emission Detector for Operation with Liquid Argon Springer https://link.springer.com/, Instruments and Experimental Techniques 67 (2024) 700–703 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Целью данного проекта является исследование фундаментального явления упругого когерентного рассеяния нейтрино (УКРН) на массивных атомных ядрах в области относительно низких энергий (<8 МэВ) и отработка новой технологии регистрации реакторных нейтрино, которая может быть использована для независимого нейтринного мониторинга активной зоны ядерных реакторов с целью повышения безопасности атомной энергетики и поддержки программ МАГАТЭ по нераспространению атомного оружия. Актуальность проекта подтверждается тем, что в настоящее время международное научное сообщество прикладывает значительные усилия для исследования эффекта УКРН на тяжёлых ядрах, отличающегося значительным сечением взаимодействия, пропорциональным квадрату числа нейтронов в ядре. В этом году было опубликовано сообщение о разработке аналогичного проекта (RELICS) для реализации на АЭС Санмен в Китае. Авторы этой работы ссылаются на первые результаты, полученные в этой области в эксперименте РЭД-100 на Калининской АЭС. Значимость ожидаемых результатов подтверждается также тем, что процесс УКРН является чувствительным пробником новых физических процессов за пределами Стандартной модели, о существовании которых существуют косвенные указания. Ключевым фактором является то обстоятельство, что в НИЯУ МИФИ создан детектор РЭД-100 с массивной (>100 кг) рабочей средой и чувствительный к одиночным электронам. Детектор использует эмиссионный принцип детектирования ионизирующих частиц, впервые введённый в экспериментальную физику в МИФИ, и в настоящее время широко используемый в мире в экспериментах по поиску частиц тёмной материи во Вселенной. Детектор РЭД-100 прошёл первый цикл испытаний на Калининской АЭС с жидким ксеноном в качестве рабочей среды. Проведённый в данном проекте анализ результатов этих испытаний показал, что предложенная авторами проекта технология регистрации реакторных электронных антинейтрино действительно может быть использована для эффективной регистрации реакторных нейтрино. Однако обнаруженный эффект одноэлектронных шумов, инициируемых космическими мюонами, требует смены рабочей среды детектора на жидкий аргон и повторения эксперимента с детектором РЭД-100 на АЭС для наблюдения эффекта УКРН. Для осуществления этого плана проведена коренная модернизация установки РЭД-100 и проведены её лабораторные испытания, подтвердившие аналитические предсказания. Предложение о проведении второго эксперимента на Калининской АЭС с использованием модернизированной версии установки РЭД-100 с целью регистрации эффекта УКРН для реакторных электронных антинейтрино на ядрах аргона принято к рассмотрению на первом заседании НТС №7 госкорпорации «Росатом» в начале 2025 года. Научная новизна проекта и достижимость поставленных целей обоснована в ряде научных публикаций и отражена в информационных ресурсах сети Интернет, представленных на сайте межкафедральной лаборатории экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ: https://enpl.mephi.ru/index.php.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В случае положительного результата эксперимента РЭД-100 будет открыта перспектива создания компактных мобильных инструментов для прецизионного дистанционного мониторинга состояния (включая изотопный состав) активной зоны ядерных реакторов по нейтринному излучению с целью повышения безопасности атомной энергетики и контроля над соблюдением международных соглашений по нераспространению ядерного оружия.