Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В НИЯУ МИФИ создана уникальная установка РЭД-100 для наблюдения взаимодействия реакторных нейтрино с атомными ядрами по каналу упругого когерентного рассеяния нейтрино (УКРН) [1]. Сердцем установки является двухфазный эмиссионный детектор на жидком ксеноне с массой рабочей среды 130 кг, который основан на 4 запатентованных изобретениях. Эмиссионный метод регистрации элементарных частиц впервые предложен 50 лет назад проф. Б.А.Долгошеиным с сотрудниками кафедры экспериментальной ядерной физики МИФИ и в настоящее время широко используется в современных экспериментах по поиску тёмной материи во Вселенной [2]. Преимуществом двухфазного эмиссионного метода для регистрации реакторных электронных антинейтрино (с энергией <10 МэВ) перед другими методами регистрации нейтрино является возможность детектирования предельно малой величины ионизационного сигнала (вплоть до единичных ионизационных электронов), что необходимо для наблюдения ядер с малой энергией отдачи (< 1 кэВ), характерной для процесса УКРН на тяжёлых ядрах. Все другие известные в настоящее время методы регистрации событий с такими малыми энерговыделениями не могут обеспечить одновременно необходимую для эффективной регистрации нейтрино массу детектора и достаточно низкий энергетический порог регистрации. Процесс УКРН предсказан теоретически около 50 лет назад, но открыт только в 2017 году международной коллаборацией COHERENT (с участием группы сотрудников НИЯУ МИФИ - авторов данного проекта) в эксперименте, проводимом в Окриджской национальной лаборатории США на сильноточном протонном ускорителе SNS [3, 4]. Сечение процесса УКРН почти на 3 порядка величины (для тяжёлых ядер) превосходит сечение обратного бета-распада, который чаще всего используется для регистрации нейтрино относительно низких энергий. Процесс УКРН играет важную роль в формировании Вселенной, динамике взрывов сверхновых, сопровождающихся интенсивными потоками нейтрино. В случае успеха проекта РЭД-100 открывается возможность создания совершенно нового относительно компактного и мобильного инструмента для прецизионного дистанционного мониторинга активной зоны ядерных реакторов по нейтринному излучению с целью повышения безопасности атомной энергетики и контроля над соблюдением международных соглашений о нераспространении ядерного оружия. В результате первого испытания РЭД-100 на Калининской АЭС в 2011-2022 гг. было показано, что 1) двухфазный эмиссионный детектор с массой рабочего вещества более 100 кг может успешно работать в условиях современной АЭС, будучи установленным за пределами реакторного отделения энергетического блока, чтобы регистрировать слабые ионизационные сигналы, состоящие из нескольких ионизационных электронов, характерных для процесса УКРН; 2) радиационная защита детектора в установке РЭД-100 обеспечивает низкий уровень регистрируемого радиационного фона, который не зависит от состояния реактора (реактор активен или заглушен); 3) детектор способен к эффективному набору экспериментальных данных в режимах, как активного реактора, так и заглушённого на период перезагрузки топлива; 4) для эмиссионного детектора с жидким ксеноном в качестве рабочей среды характерно наличие неизвестного ранее источника одноэлектронного шума, связанного, в частности, с облучением жидкого ксенона космическими мюонами, что значительно усложняет технологию отбора полезных событий; 5) для решения проблемы техногенных шумов требуется проведение дополнительных исследований, включая детальный анализ полученных в результате эксперимента на Калининской АЭС данных и модернизацию установки РЭД-100 с целью более эффективного подавления одноэлектронных шумов. На первом этапе данного проекта разработан план модернизации установки РЭД-100 с целью использования в качестве рабочей среды детектора РЭД-100 жидкого аргона. Проведённое специальное компьютерное моделирование процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино (УКРН) на ядрах благородных газов показало, что несмотря на пониженное по сравнению с ксеноном сечение процесса УКРН, аргон в качестве рабочей среды РЭД-100, обладает существенным преимуществом: величина ожидаемого ионизационного сигнала практически на порядок превышает величину сигнала в жидком ксеноне, что позволит более эффективно отделять полезные сигналы от фона одноэлектронного шума. На первом этапе проекта проведена успешная экспериментальная проверка возможности криогенной системы установки РЭД-100 обеспечить работоспособность детектора при использовании жидкого аргона в качестве рабочей среды. Однако требуется увеличение мощности термосифона, ответственного за ожижение рабочей среды, а также покрытие оптических фотоприемников спектросместителем для регистрации сигналов в области более жёсткого ультрафиолета, характерного для аргона. Модернизация установки будет проведена на следующем этапе проекта в 2023 году. В 2024 году установка пройдёт лабораторные испытания и будет подготовлена к проведению второго этапа экспериментальных исследований на АЭС. [1] D.Yu. Akimov et al (2022). The RED-100 experiment, JINST_006T_092215; https://arxiv.org/abs/2209.15516; [2] D.Yu. Akimov, A.I. Bolozdynya, A.F. Buzulutskov, V.I. Chepel. (2021). Two-Phase Emission Detectors, World Scientific Publishing Co. 332 p.; https://doi.org/10.1142/12126 [3] D.Yu. Akimov et al (2022). The RED-100 experiment, JINST_17_T11011

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году были проведены инженерно-технические работы по модернизации установки РЭД-100 для обеспечения возможности работы детектора РЭД-100 с жидким аргоном в качестве рабочей среды, а также проведены технические испытания, подтверждающие работоспособность модернизированной версии установки РЭД-100 с жидким аргоном в качестве рабочей среды. Возможность регистрации эффекта УКРН для реакторных нейтрино при использовании модернизированной версии установки РЭД-100 с жидким аргоном в качестве рабочей среды обсуждена в статье [1]. В ходе анализа данных, полученных при постановке эксперимента РЭД-100 на КАЭС, когда в качестве рабочей среды детектора использовался жидкий ксенон, показано, что наиболее эффективным инструментом выделения полезных сигналов на фоне одноэлектронных шумов является специально разработанный программный продукт на основе нейронной сети [2]. Разработанная нейронная сеть позволяет классифицировать регистрируемые детектором события как точечные и неточечные. Основной фон в области ожидаемого сигнала состоит из неточечных событий, образованных наложением сигналов от нескольких, несвязанных друг с другом, одиночных электронов ионизации. Для разработки оптической модели и дальнейшей модернизации продукта типа нейронной сети для детектора РЭД-100 с жидким аргоном в качестве рабочей среды, в 2024 году планируется проведение специального испытания модернизированной версии установки РЭД-100 с набором необходимого объема калибровочных данных. Ссылки [1] RED-100 Collaboration. Using the Two-Phase Emission Detector RED-100 at NPP to Study Coherent Elastic Neutrinos Scattering off Nuclei, Physics 2023, 5(2), 492-498; https://www.mdpi.com/2624-8174/5/2/34. [2] Akimov D.Yu. et al. Characterization of the ambient background in the RED-100 experiment location at Kalinin Nuclear Power Plant, D.Y. Akimov et al. Characterization of the ambient background in the RED-100 experiment location at Kalinin Nuclear Power Plant, JINST 2023, 18, P12002; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/18/12/P12002/pdf.