Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Illinois enerji santralindeki bir nükleer reaktör, Chicago Üniversitesi’ndeki bilim insanlarının nötrinolar olarak bilinen küçük, bulunması zor parçacıkları nasıl yakalayacaklarını ve anlayacaklarını öğrenmelerine yardımcı oluyor. Ekip, Constellation'ın (eski adıyla Exelon) Morris, Illinois'deki Dresden Üretim İstasyonu’nda, küçük bir dedektörlü nükleer reaktörden çıkan nötrinoların ilk ölçümlerini aldı. Bu parçacıkları yakalamak son derece zordur, çünkü madde ile çok nadiren etkileşime girerler. Öte yandan güç reaktörleri, Dünya'da bunların yüksek konsantrasyona sahip oldukları birkaç yerden biridir.

Chicago Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan Mark Lewis, Constellation'ın Dresden Üretim İstasyonu’ndaki bir reaktörün muhafaza duvarının yanında bulunan kompakt nötrino dedektörünü (gümüş bir platformun üzerindeki siyah küp olarak görünür) gözlemliyor. Fotoğraf: Collar Lab

Bu bilgiyle grup, parçacık ve nükleer etkileşimleri yöneten temel yasalar hakkındaki sorulara yanıt bulabilecek daha fazla ölçüm yapmayı planlıyor. Teknik, nükleer silahların yayılmasını önlemede de faydalı olabilir, çünkü nötrinolar bilim insanlarına reaktörün çekirdeğinde neler olup bittiğini gösterebilirler. Dedektörler, reaktörün enerji üretimi için mi yoksa silah yapmak için mi kullanıldığını izlemek için bir koruma olarak reaktörlerin yanına yerleştirilebilir.

'Büyüklük emirleri'

Nötrinolara bazen "hayalet parçacıklar" denir, çünkü neredeyse tüm maddelerin içinden görünmez bir şekilde geçerler. Milyarlarcası siz fark etmeden vücudunuzun içinden geçip gittiler ve siz farkına bile varamadan uzaya doğru yola çıktılar. Öte yandan onları yakalayabilirseniz size geldikleri yerde neler olduğunu ve evrenin temel özelliklerini anlatabilirler.

Bilim insanları, özellikle, nötrino davranışının belirli yönlerini - elektromanyetik özelliklere sahip olup olmadıklarını (örneğin, bir “manyetik moment”) ve henüz fark edilmeden saklanan bilinmeyen parçacıklarla veya yeni yollarla bilinen parçacıklarla etkileşime girip girmediklerini öğrenmek istiyorlar. Mümkün olduğunca çok sayıda nötrino için kapsamlı ölçümler yapmak, bu olasılıkları daraltmaya yardımcı olabilir.

Collar'ın ekibini nükleer reaktörlere çeken şey, birçok nötrinoya duyulan ihtiyaçtı. Ticari reaktörler büyüklük sırasına göre dünyadaki en büyük nötrino kaynağıdır. Normal çalışma sürecinde, nükleer reaktörler saniyede astronomik sayılarda nötrino üretirler. Reaktör içindeki atomlar daha hafif elementlere ayrıldığında ve enerjinin bir kısmını nötrinolar şeklinde serbest bıraktığında meydana gelirler, ancak, bir sorun var. Nötrinolar çok hafif olduklarından ve çok nadiren etkileşime girdiklerinden, bilim insanlarının, normalde onları çok büyük bir tankı algılayıcı sıvılarla doldurarak bulmalı daha sonraysa geçen bir parçacığın içinde bilinen bir dizi reaksiyondan birini ürettiğine dair kesin sinyali aramalıdır.

Ancak ticari bir nükleer reaktörün içinde çok tonlu bir dedektör için yer yoktur.  Bu yüzden araştırmacıların çok daha küçük bir şeye ihtiyacı vardı. Neyse ki Collar bu tür cihazların yapımında uzmandı; daha önce dünyanın en küçük nötrino dedektörünü yapan bir ekibe liderlik etmişti. İkinci şans ise Illinois’nin önde gelen nükleer enerji eyaletlerinden biri olmasıydı (eyaletin elektriğinin yaklaşık yarısı nükleer reaktörlerde üretilir). Constellation, Collar'a ülkedeki ilk ticari nükleer santrallerden biri olan Dresden Jeneratör İstasyonu’nda dedektörü test etme izni verdi.

Daha önce, Collar ve ekibi küçük dedektörlerini Tennessee'deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki bir parçacık hızlandırıcıda test etmişti ve burada iyi bir sinyal almak için çevrenin çoğunu dikkatli bir şekilde kontrol edebilmişlerdi. Şimdiyse dedektörün Dresden'de çalışabilmesi için çalışan bir ticari reaktörün çok daha gürültülü ortamla başa çıkmak için uyarlanmış yeni bir versiyonunu yapmaları gerekiyordu.

Collar, "Türbinlerden radyasyon, ısı, titreşim; pompalardan ve diğer makinelerden ise radyo frekansı gürültüsü alıyorsunuz. Buna rağmen önümüze çıkan tüm zorlukların üstesinden gelmeyi başardık" dedi.

Dedektörü verileri kirletebilecek diğer başıboş parçacıklardan korumak için karmaşık çok katmanlı bir kalkanla birlikte tasarladılar. Böylelikle dedektörü birkaç ay boyunca gözetimsiz çalışacak şekilde yerinde bırakabildiler ve sürekli veri aldılar.

Ekip bundan sonra, Constellation'ın Braidwood Üretim İstasyonu’nda veya İspanya kıyılarındaki Vandellòs nükleer santralinden veri almayı umuyor. Collar, "Bu yöntem, nötrino özelliklerini anlamamıza gerçekten katkıda bulunabilir. Verilerimizden birçok teorik bilgi çıkarılabilir" dedi.

Bu tür gürültülü ortamlarda küçük dedektörlerin çalıştırılmasına ilişkin bilgiler de yüksek talep görmektedir. Collar, "Nükleer silahların yayılmasını önleme topluluğunda reaktörlerin yanına dedektörler yerleştirme konusunda büyük bir ilgi var, çünkü size çekirdekte neler olduğunu söyleyebilirler - beyan edilen kullanımdan herhangi bir sapmayı ortaya çıkarabilirler" dedi.

Nötrinoların çıktısı, reaktörün ne tür yakıt yaktığına ve ne ürettiğine göre değişir. Bu nedenle dedektörler silah üretiminin uyarı işaretlerini veya yakıtın gizlice başka bir yere yönlendirilip yönlendirilmediğini izleyebilirler. Ancak bu hedefi gerçeğe dönüştürmek için bu tür dedektörlerin küçük, sağlam ve kullanımı kolay olması gerekir. Collar, Dresden çalışmasının bu tür dedektörleri mümkün kılmak için değerli verilerin toplanmasına yardımcı olduğunu söyledi.

Nötrino dedektörleri için başka birçok kullanım da olabilir. Collar, "Örneğin, yeterince hassas nötrino dedektörlerimiz olduğunda bunları Dünya'nın içini haritalamak için kullanabilir, hatta belki de petrol veya diğer faydalı tortuları tespit ederken fayda sağlayabiliriz” dedi.

 Makaleler:

https://arxiv.org/abs/2108.02880

https://arxiv.org/abs/2202.09672