خزان مياه عملاق يلتقط محطات نووية على بُعد 146 كم

المفاعلات النووية مصانع للنيوترينوات الإلكترونية المضادة. ففي داخل الوقود، تخضع شظايا الانشطار لاضمحلال بيتا: يتحول نيوترون في النواة إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد. وكانت المفاعلات في الواقع أول مصدر للنيوترينوات يُكشف على الإطلاق، في تجربة كوان–راينز عام 1956. ومنذ ذلك الحين ساعدت في قياس كيفية تذبذب النيوترينوات — أي تغيّر نوعها أثناء انتقالها.

وتعلن الآن تعاونية سوبر-كاميوكاندي، التي تضم نحو 250 فيزيائيًا من اليابان والولايات المتحدة وأوروبا وكوريا والصين وكندا وغيرها، أن كاشفها يراها هو الآخر.

خزان بُني لصيد أكبر

سوبر-كاميوكاندي كاشف مائي سعته 50 كيلوطن، على عمق 1,000 متر تحت الأرض في منجم كاميوكا باليابان. ويضم حجمه الداخلي 32,000 طن من الماء تراقبها 11,129 مستشعرًا ضوئيًا، عرض كل منها 20 بوصة. والجسيم المشحون السريع الذي يعبر الماء يطلق مخروطًا خافتًا من الضوء، هو ضوء تشيرينكوف، يمكن منه إعادة بناء موقعه واتجاهه وطاقته.

لكن النيوترينوات المضادة القادمة من المفاعلات لا تحمل سوى بضعة ملايين من الإلكترون فولت. وفي هذا النطاق منخفض الطاقة، تضيع الومضة المنفردة بسهولة وسط النشاط الإشعاعي الطبيعي وحطام الأشعة الكونية.

رشّة من الغادولينيوم

الحيلة توقيع بنبضتين. حين يصطدم نيوترينو مضاد ببروتون في الماء، ينتج بوزيترونًا يومض على الفور، ونيوترونًا يهيم ويتباطأ ثم تأسره نواة في النهاية. فإذا أسره الهيدروجين، أطلق النيوترون شعاع غاما واحدًا بطاقة 2.2 MeV يصعب رؤيته. وإذا أسره الغادولينيوم، أطلق سلسلة من أشعة غاما مجموع طاقتها نحو 8 MeV يسهل رؤيتها.

لذلك أُذيب في الماء في يوليو 2020 13 طنًا من كبريتات الغادولينيوم (0.011% من الكتلة)؛ وفي يونيو 2022 أُضيف 27 طنًا أخرى (0.033%). وصار الغادولينيوم يأسر نحو نصف النيوترونات، ثم نحو ثلاثة أرباعها، خلال نحو 120 ثم 60 ميكروثانية. ويلتقط مُطلِق برمجي سريع الإلكتروناتِ حتى نحو 2.5 MeV بكفاءة تقارب 100%.

الإصغاء إلى خليج واكاسا

تقع عدة محطات طاقة على بُعد نحو 200 كم من الكاشف، معظمها في اليابان، مع مساهمة صغيرة من كوريا. وأقرب المحطات العاملة تقع في خليج واكاسا: ميهاما 3 (146 كم)، وأوهي 3 و4 (179 كم)، وتاكاهاما 1 إلى 4 (191 كم). وبين 2020 و2023، كان كثير منها يعمل أو يعاد تشغيله. وحُسب التدفق المتوقع شهرًا بشهر من الحمل المعلَن لكل مفاعل، باستخدام قاعدة بيانات المفاعلات التابعة للوكالة الدولية للطاقة الذرية.

تأتي الخلفية من النيوترينوات الأرضية — وهي نيوترينوات مضادة ناتجة عن النشاط الإشعاعي للأرض نفسها — ومن التزامنات العَرَضية، ومن الحطام المشع الذي تخلّفه الميونات الكونية. ولقياسها، استغل الفريق نافذة محظوظة: ففي نوفمبر وديسمبر 2020، كانت مفاعلات خليج واكاسا الرئيسية متوقفة أو في طور الإيقاف. وبيانات هذين الشهرين خلفية شبه خالصة.

يغطي التحليل 411.52 يومًا من زمن التشغيل الفعلي، من فبراير 2021 إلى سبتمبر 2023. ويلتقط مصنِّف قائم على التعلم الآلي، مع شروط على الفاصل الزمني (أقل من 80 ميكروثانية) والمسافة (أقل من 2 متر) بين الومضتين، الأزواجَ المرشحة.

إشارة تتبع المفاعلات

يتتبع معدل الأحداث الشهري نشاط المفاعلات ويطابق التنبؤ الذي يشمل التذبذبات. ويُرفض عالمٌ بلا نيوترينوات مضادة من المفاعلات بدلالة نحو 6 سيغما: إنه أول رصد للنيوترينوات المضادة من المفاعلات في سوبر-كاميوكاندي. ولا تذكر الورقة العدد الإجمالي للأحداث المنتقاة.

ومن طيف الطاقة، يستخلص الفريق معاملين للتذبذب: sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155 وΔm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV².

نيوترينوات ونيوترينوات مضادة جنبًا إلى جنب

يقيس سوبر-كاميوكاندي أيضًا النيوترينوات القادمة من الشمس، وهي مادة لا مادة مضادة. ومقارنة الاثنين اختبار لتناظر أساسي في الفيزياء يُسمى CPT. وتختلف القيم بنحو 1.1 سيغما للزاوية و2.2 سيغما لفرق الكتلة؛ وإجمالًا، تتوافق مجموعتا البيانات عند مستوى 1.9 سيغما — دون أي مؤشر ذي دلالة إحصائية على وجود فرق. ومجتمعتين، تعطيان sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026) وΔm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV².

تحتوي هذه المسودة البحثية المقدَّمة إلى Physical Review Letters على تناقض واحد: إذ يُعطى اختبار التوافق بقيمة Δχ² = 7.25 في النص الرئيسي و7.64 في الملحق، وكلتاهما مذكورة على أنها 1.9 سيغما. ويخلص المؤلفون إلى أن الماء المحمَّل بالغادولينيوم يحوّل خزان تشيرينكوف العملاق إلى كاشف فعّال للنيوترينوات المضادة ذات الطاقة البالغة بضعة ملايين من الإلكترون فولت، مع إمكانات لقياسات مستقبلية في ذلك النطاق من الطاقة.