Kärnreaktorer löser naturens gåta

Effektproducerande kärnreaktorer är tekniska och ingenjörsmässiga anläggningar vars användning inte är relaterad till grundforskning. De kom dock att visa sig vara oumbärliga i ett specialområde för att utforska naturens innersta väsen, nämligen att avgöra om neutrinerna är massiva eller masslösa.

Neutriner är en av naturens mest gåtfulla partiklar. De saknar elektrisk laddning och växelverkar med materia ytterst svagt; t o m kan passera igenom hela jordklotet utan någon nämnvärd risk för att bli absorberade. De är därför också svåra att detektera. De förekommer i tre olika sorter (i elementärpartikelfysik kallas dessa ”smaker”, eng: flavours): elektronneutrino, myonneutrino, och tauneutrino.

Länge trodde man att också neutriner, likt fotoner, var masslösa. Men det har kommit indikationer om att de kan ha en massa skilt från noll, om än väldigt liten. Enligt motsvarande teorin är de tre neutrinosorter uppbyggda av tre olika masstillstånd. Om dessa massor är olika, kan oscillationer mellan de tre olika sorter/smaker förekomma. En observation av oscillationer mellan två neutrinosorter betyder att motsvarande masstillstånd är olika, och därmed måste minst ett av dem vara skilt från noll.

Att påvisa oscillationer är enklast genom att mäta ett brist på en viss sort av neutriner på ett visst avstånd från en källa där man vet att just sådana neutrinerna fanns med i källan. För bästa noggrannhet, eller rättare sagt för att experimentet överhuvudtaget skall lyckas, finns ett optimalt avstånd, eller ett område av optimal avstånd.

Den första indikationen för neutrinooscillationerna, och därmed om existensen av neutrinons massa, kom från experimentet Super-Kamiokande i centrala Honshu i Japan (se karta). Man påvisade oscillationer mellan myon- och tauneutrinerna genom att göra mätningar på neutriner som alstras i atmosfären utav kosmisk strålning. Med riktningskänsliga detekteringsmetoder mätte man dels på atmosfäriska neutriner ovanför anläggningen, dvs nära detektorn, och dels på neutriner alstrade på diagonalt motsatta sidan av jordklotet. Avståndet, en hel jorddiameter, var perfekt för att visa oscillationerna genom att hitta en skillnad i neutrinoflödet mellan dessa två mätningar.

De andra två oscillationstyperna, båda relaterade till elektronneutriner, var svårare att påvisa för att det inte fanns några lämpliga källor på rätt avstånd. Det är här kärnreaktorerna kommer in i bilden. De är intensiva källor av elektronneutriner (egentligen antineutriner, men det är oväsentligt i sammanhanget), och därmed lämpliga för att studera både elektron-myonneutrino- och elektron-tauneutrino-oscillationer. Det har t o m föreslagits att reaktorernas drift kunde övervakas från avstånd via neutrinomätningar.

Där visade sig platsen för Super-Kamiokande-experimentet vara mycket gynnsam. Som det syns på kartan ovan, råkar det finnas ett stort antal kärnkraftverk i en ring runt detektoranläggningen på ett avstånd mellan 140 till 180 km. Detektorn byggdes om och kallades KamLAND. Det var där oscillationer mellan elektron- och myonneutriner påvisades. En artikel, publicerad i Physical Review Letters av forskargruppen ledd av Professor Atsuto Suzuki vid Tohoku Universitet, blev världens mest citerade under en viss period i 2003. Reaktorer nämns även i artikelns titel: ”First results from KamLAND: Evidence for reactor antineutrino disappearance”. 

Nu återstod bara den tredje typen av oscillationer, den mellan elektron- och tauneutrinon. Även här är det reaktorneutriner som kan användas, men reaktorerna runt KamLAND ligger inte på lämpligt avstånd. Då ville neutrinofysikerna be om råd från reaktorfysiker och det är hur jag själv blev inblandad i historian.

Jag var på ett av mina otaliga besök i Japan 2005 och träffade mina kollegor vid Tohoku Universitet i Sendai. Jag fick ett telefonsamtal om att universitetets vicerektor, Prof. A. Suzuki ville träffa mig. Han ville veta om man kan konstruera en flyttbar kärnreaktor för neutrinoexperiment, i jakten för den tredje typen av oscillationer.

Han ville flytta reaktorn under jorden, förmodligen rakt nedåt, eftersom man kan inte flytta en reaktor i tättbebyggda områden. Det var ingen lätt fråga. Jag rekommenderade att använda en underkritisk reaktor med en accelerator, så att reaktorn kan stängas av och startas upp lätt mellan flyttningarna. Atomubåtar eller isbrytare, som hade varit en möjlig variant, kom inte ifråga, eftersom avståndet till närmaste kustområde var för stort.

Det blev inget av utav detta projekt, de tekniska och säkerhetsmässiga problemen blev för stora och projektet för kostsamt. Den tredje typen av oscillationer påvisades istället under 2012 i Kina samt även i Frankrike och Sydkorea. Alla de tre experimenten använde även de neutriner från kärnkraftverk. Det avgörande experimentet utfördes i Kina runt de sex reaktorerna vid kraftverket Daya Bay, med sex antineutrinodetektorer. Avståndet var mellan 0.5 och 1.5 km mellan detektorerna och reaktorerna. Den flyttbara reaktorn som A. Suzuki tänkte för sig, hade inte behövts flyttas så långa sträckor.

Det var trevligt att höra om experimenten i Kina och de andra ställen om bestämning av den tredje och sista typen av neutrinooscillationer, eftersom jag har ett förflutna inom teoretisk fysik. Jag läste till partikelfysiker vid universitetet i Budapest och valde stark växelverkan som specialinriktning. Mitt examensarbete hette ”Dual resonansmodell för mesonspridning med SU(6)-symmetri”. Neutriner växelverkar genom den svaga kraften, så det är egentligen ett helt annat område. Men trots detta och att jag inte är längre verksam inom partikelfysiken, så är jag givetvis väldig glad för att mitt nuvarande område kunde tillföra något till grundvetenskaperna, och att frågan om neutrinooscillationer är slutligen avgjort.