Het Canadese deeltjesexperiment SNO+ heeft neutrino’s gevangen die zijn ontstaan in kerncentrales honderden kilometers verderop. Het is dus mogelijk om de activiteit van kernreactoren op afstand te monitoren.
Een handjevol lichtflitsen, meer hebben ze na 190 dagen meten niet in handen. Toch staan de natuurkundigen van het Sudbury Neutrino Observatory (SNO+) te juichen. Na jaren van onderzoek presenteren ze in het wetenschapsblad Physical Review Letters bewijs dat hun detector veertien neutrino’s heeft gezien die zijn ontstaan in kerncentrales in de wijde omgeving. Zo’n meting op afstand vertelt wat er in de reactor gebeurt zonder dat je in de centrale hoeft te zijn.
Volgens de onderzoekers komt meer dan de helft van de gevangen neutrino’s uit de Canadese kerncentrales in Bruce, Darlington en Pickering in de staat Ontario, tussen de 240 en 350 kilometer van de detector. De rest kan uit nog eens vijftien reactorkernen in Canada en zo’n honderd in de VS komen. SNO+ kan de neutrino’s niet herleiden naar afzonderlijke kernreactoren, omdat tijdens het meetproces de informatie over de beweging van het neutrino verloren gaat.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Ultrazuiver
Neutrino’s ontstaan in allerlei nucleaire reacties, zoals de kernfusie in het centrum van de zon en kernsplijting in kerncentrales. Deze ‘spookdeeltjes’ zijn de meest voorkomende vorm van materie in het heelal, maar zien zul je ze nooit. Neutrino’s glippen namelijk zonder stoppen door de dikste afscherming. Zo vliegen ze moeiteloos door de meters gewapend beton om een kernreactor heen, en zelfs dwars door de aarde. Heel zelden reageert een neutrino met normale materie. Daar maken neutrinodetectoren gebruik van.
SNO+ gebruikt een twaalf meter brede tank ultrazuiver water om een minieme fractie van alle langskomende neutrino’s te detecteren. De detector staat in de Canadese nikkelmijn Creighton, 2 kilometer onder de grond. Het dikke rotsdak boven de detector zorgt ervoor dat de gevoelige installatie nauwelijks last heeft van andere deeltjes uit het heelal, zoals kosmische straling.
Het juiste type neutrino
‘SNO+ is oorspronkelijk ontworpen om energierijke neutrino’s uit het verre heelal te vangen’, zegt deeltjesfysicus Elisabeth Falk aan de Universiteit van Sussex, een van de wetenschappers achter het onderzoek. ‘Zulke neutrino’s zijn interessant als bron van informatie over bijvoorbeeld supernova’s, maar ook omdat ze misschien een rol speelden bij het verdwijnen van alle antimaterie in de begintijd van het universum.’
Net als de veel grotere neutrinodetectoren KM3NeT en IceCube zoekt SNO+ naar het zwakke lichtsignaal dat ontstaat als een neutrino op een atoomkern waterstof in water knalt. De detectoren vinden vooral neutrino’s die ontstaan in de zon of bij supernova’s, omdat die meer energie hebben. Ook reactorneutrino’s zijn al eerder gemeten met gespecialiseerde detectoren zoals KAMLAND.
Volgens expert in neutrinowaarnemingen Ernst-Jan Buis van de Technische Universiteit Delft, zelf niet verbonden aan SNO+, is de meting van reactorneutrino’s door het experiment een prestatie op zich. ‘Water-cherenkov-detectoren zoals SNO+ zijn meestal niet gevoelig genoeg om neutrino’s van deze lage energie te meten.’
Stoorsignalen
De meting ging dan ook niet zonder slag of stoot. De onderzoekers moesten veel moeite doen om hun 14 reactorneutrino’s te vinden. Die zaten namelijk verstopt in de ruis van andere meetsignalen, zoals van natuurlijk radioactief verval van thorium en uraan in de aardkorst.
De grootste storingsbron in de jacht op reactorneutrino’s bleek het glas van de lichtdetectoren in SNO+, zegt Falk. Die bevatten een vleugje radioactief materiaal dat minieme lichtflitsen uitzendt, net zoals de lichtflits die een reactorneutrino verraadt. ‘We zagen wel 10.000 keer meer van die stoorsignalen dan reactorneutrino’s. Gelukkig meet je dit stoorsignaal vooral in die ene lichtdetectoren waar het ontstaat, terwijl de flits van een reactorneutrino door de hele tank zichtbaar is. Zo konden we ze uit elkaar houden.’
Toezicht
Wat heb je nou precies aan een apparaat dat van flinke afstand kan zien hoe hard een kerncentrale draait? Volgens Elisabeth Falk zou je die informatie kunnen gebruiken om erachter te komen of iemand splijtstof achterover drukt, of zelfs een reactor gebruikt om plutonium voor kernwapens te kweken. ‘Als je ter plekke inspecties uit kunt voeren, is dat natuurlijk beter. Maar dat is niet altijd een optie, zoals in Noord-Korea of Iran.’
Reactorexpert Bryan van der Ende van het Canadese laboratorium voor kernonderzoek, zelf niet betrokken bij het onderzoek, zet wel vraagtekens bij die mogelijke toepassing. Voor toezicht houden op afstand zijn volgens hem een stuk gedetailleerdere metingen nodig zijn dan SNO+ nu presenteert. ‘Als je wil weten of een reactorbeheerder zich aan de regels houdt, moet je kunnen zien hoeveel en welke soort kernreacties er in de loop der tijd plaatsvinden. In 190 dagen maar veertien neutrino’s meten, die ook nog eens van verschillende reactoren komen, is niet genoeg.’
Ook Ernst-Jan Buis is nog sceptisch over nucleair toezicht met neutrinodetectoren. ‘Het probleem blijft dat neutrino’s zo lastig te meten zijn, dat je grote installaties nodig hebt.’ Een ‘kleine’ opstelling met maar een paar ton detectiemateriaal heeft volgens Buis maar een paar kilometer meetbereik. ‘Het liefst wil je je detector ergens plaatsen waar weinig storingsbronnen zijn. Maar voor een monitoringssysteem heb je dat niet voor het uitkiezen.’
Toch heeft de prestatie van SNO+ potentieel, denkt Van der Ende. ‘Een neutrinodetector met een bereik van honderden kilometers betekent dat je geheime reactoren in een gebied op kunt sporen. Dat zijn precies de soort installaties waar iemand zou proberen om illegaal plutonium te kweken.’ .
Spookdeeltje
Elke seconde razen er biljoenen neutrino’s door je lijf, afkomstig van kernfusie in de zon. Maar in een mensenleven botst er gemiddeld maar één met een atoom in je lijf, zo laag is de kans dat deze spookdeeltjes op andere materie reageren.
Wolfgang Pauli voorspelde de ongrijpbare deeltjes in 1930 om gaten in de theorie van radioactief verval te dichten. Het duurde tot 1956 voor experimenten het neutrino ook echt waarnamen.
