Jedna z možných konfigurací detektoru WATCHMAN. Kredit: LLNL.

V dnešní době představují jaderné zbraně jednu z významných hrozeb globálního světa. Proto je nutné co nejlépe monitorovat jaderná zařízení po celé planetě. Klíčovou roli v tom přitom hraje možnost na dálku sledovat jaderné reaktory a hlídat, zda v nich nedochází k výrobě plutonia pro vojenské aplikace. Dálkové sledování je praktické, protože při něm není nutné přerušovat činnost reaktorů a zároveň umožňuje sledovat reaktory nepřátelsky naladěných zemí, aniž by inspektoři museli na jejich území.

Pro takové dálkové monitorování jaderných reaktorů existují různé možnosti. Jedním ze slibných postupů je použití antineutrin. Právě na této technologii pracuje konsorcium amerických a britských institucí pod vedením odborníků laboratoří Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

Práce na detektoru WATCHMAN již započaly. Kredit: LLNL.

Projekt financuje úřad National Nuclear Security Administration amerického ministerstva energetiky DOE. V rámci programu Advanced Instrumentation Testbed (AIT) instalují detektor WATCHMAN (WATer CHerenkov Monitor of ANtineutrinos) o váze 3 500 tun. Jako součást mezinárodního úsilí o nešíření jaderných zbraní bude fungovat v 1 100 metrů hlubokém aktivním potašovém dolu na severovýchodním pobřeží Anglie, který je nejhlubším dolem Velkém Británie a sídlem podzemní vědecké laboratoře Boulby Underground Laboratory.

Proč právě antineutrina? Jsou to antihmotová dvojčata neutrin a stejně jako neutrina náležejí k těm nejdrobnějším elementárním částicím. Jsou asi tak milionkrát lehčí než elektron a zároveň nemají elektrický náboj. Jejich velká výhoda spočívá v tom, že antineutrina jen velice málo interagují s hmotou. Třeba takovou alfa částici zastaví list papíru, kdežto antineutrino může proletět nedozírným plátem olova o tloušťce jednoho světelného roku a ani nezpomalí. Ve skutečnosti nás neustále bombarduje ohromná záplava antineutrin a vůbec si toho nevšimneme.

Důl Boulby, kde bude sídlit WATCHMAN. Kredit: LLNL.

Vzhledem k netečnosti antineutrin by se mohlo zdát, že je zhola zbytečné je zkoušet chytit. Jenomže fyzici jsou chytří a znají trik, jak antineutrina polapit. Stačí si pořídit nádrž na vodu o velikosti 16 metrů a vylepšit ji stopovým množstvím prvku gadolinia. Díky tomu se protony ve vodě nádrže stanou výjimečně citlivými na antineutrina. Právě taková nádrž je klíčovou součástí detektoru WATCHMAN.

Aby WATCHMAN zachytil antineutrina z podezřelého reaktoru a byl co nejméně rušený šumem signálů z okolí, bude pracovat hluboko pod zemí. Nejhlubší důl Velké Británie by k tomu měl stačit. Detektor by měl začít pracovat v roce 2023. Jeho cílem budou dva 660 MW reaktory jaderné elektrárny Hartlepool, které jsou od stanoviště detektoru vzdálené 25 kilometrů. Oproti předcházejícím experimentům je to tak asi tisícinásobně větší vzdálenost monitorování reaktoru. Hlavním cílem projektu WATCHMAN je zlepšit citlivost používaných přístrojů a vyvinout a odladit nové algoritmy, které budou lépe analyzovat antineutrinové signály.

V budoucnu by měly podobné vodní detektory především hlídat výrobu jaderných zbraní a zjišťovat, jestli někdo neporušuje mezinárodní dohody. Jejich využití bude ale širší. Částicoví fyzici by s nimi mohli detailně zkoumat neutrina a pracovat na velkolepé záhadě scházející antihmoty ve vesmíru. Astrofyzici by s takovými detektory zase mohli sledovat antineutrina přilétající z hlubokého vesmíru, například z explozí supernov.

Video:  MINAR 5, Channel 4 news report / Boulby Underground Laboratory


Literatura
Lawrence Livermore National Laboratory 27. 3. 2018.