বিশাল এক পানির ট্যাংক ধরল ১৪৬ কিমি দূরের পারমাণবিক কেন্দ্র

পারমাণবিক চুল্লি হলো ইলেকট্রন প্রতিনিউট্রিনোর কারখানা। জ্বালানির ভেতরে বিভাজনের টুকরোগুলো বিটা ক্ষয়ের মধ্য দিয়ে যায়: নিউক্লিয়াসের একটি নিউট্রন একটি প্রোটন, একটি ইলেকট্রন ও একটি প্রতিনিউট্রিনোতে পরিণত হয়। আসলে চুল্লিই ছিল প্রথম নিউট্রিনো উৎস যা কখনো শনাক্ত হয়েছে, ১৯৫৬ সালের কাওয়ান–রাইনেস পরীক্ষায়। তখন থেকে এগুলো মাপতে সাহায্য করেছে নিউট্রিনো কীভাবে দোলে — অর্থাৎ চলার পথে ধরন বদলায়।

সুপার-কামিওকান্দে সহযোগিতা, যাতে জাপান, যুক্তরাষ্ট্র, ইউরোপ, কোরিয়া, চীন, কানাডা ও অন্যান্য জায়গার প্রায় ২৫০ জন পদার্থবিদ আছেন, এখন জানাচ্ছে যে তাদের শনাক্তকারীও এগুলো দেখছে।

বড় শিকারের জন্য তৈরি ট্যাংক

সুপার-কামিওকান্দে একটি ৫০ কিলোটনের জল-শনাক্তকারী, জাপানের কামিওকা খনিতে মাটির ১,০০০ মিটার নিচে। এর ভেতরের অংশে আছে ৩২,০০০ টন পানি, যার ওপর নজর রাখে ১১,১২৯টি আলোক-সংবেদক, প্রতিটি ২০ ইঞ্চি চওড়া। পানি পেরোনো কোনো দ্রুত আহিত কণা আলোর একটি ক্ষীণ শঙ্কু ছড়ায়, যাকে চেরেনকভ আলো বলে, যা থেকে তার অবস্থান, দিক ও শক্তি পুনর্গঠন করা যায়।

কিন্তু চুল্লির প্রতিনিউট্রিনো বহন করে মাত্র কয়েক মিলিয়ন ইলেকট্রনভোল্ট। এই নিম্ন-শক্তির পরিসরে একটি একক ঝলক প্রাকৃতিক তেজস্ক্রিয়তা ও মহাজাগতিক রশ্মির ধ্বংসাবশেষের ভিড়ে সহজেই হারিয়ে যায়।

এক চিমটি গ্যাডোলিনিয়াম

কৌশলটি হলো দুই তালের একটি স্বাক্ষর। প্রতিনিউট্রিনো যখন পানির কোনো প্রোটনে আঘাত করে, তখন তৈরি হয় একটি পজিট্রন, যা সঙ্গে সঙ্গে ঝলকায়, এবং একটি নিউট্রন, যা ঘুরে বেড়ায়, ধীর হয় এবং শেষে কোনো নিউক্লিয়াসে বন্দি হয়। হাইড্রোজেনে বন্দি হলে নিউট্রন একটিমাত্র ২.২ MeV গামা রশ্মি ছাড়ে, যা দেখা কঠিন। গ্যাডোলিনিয়ামে বন্দি হলে সে গামা রশ্মির একটি ধারা ছাড়ে, যার মোট শক্তি প্রায় ৮ MeV, যা দেখা সহজ।

তাই ২০২০ সালের জুলাইয়ে পানিতে ১৩ টন গ্যাডোলিনিয়াম সালফেট গোলা হয় (ভর অনুযায়ী ০.০১১%); ২০২২ সালের জুনে আরও ২৭ টন যোগ করা হয় (০.০৩৩%)। এখন প্রায় অর্ধেক, পরে প্রায় তিন-চতুর্থাংশ নিউট্রন গ্যাডোলিনিয়ামে বন্দি হয়, যথাক্রমে প্রায় ১২০ ও পরে ৬০ মাইক্রোসেকেন্ডের মধ্যে। একটি দ্রুত সফটওয়্যার ট্রিগার প্রায় ২.৫ MeV পর্যন্ত ইলেকট্রন প্রায় ১০০% দক্ষতায় ধরে।

ওয়াকাসা উপসাগরে কান পাতা

কয়েকটি বিদ্যুৎকেন্দ্র শনাক্তকারী থেকে প্রায় ২০০ কিমি দূরে, বেশিরভাগ জাপানে, কোরিয়া থেকে সামান্য অবদানসহ। সবচেয়ে কাছের সক্রিয়গুলো ওয়াকাসা উপসাগরে: মিহামা ৩ (১৪৬ কিমি), ওহি ৩ ও ৪ (১৭৯ কিমি) এবং তাকাহামা ১ থেকে ৪ (১৯১ কিমি)। ২০২০ থেকে ২০২৩ সালের মধ্যে এগুলোর অনেকগুলো চালু ছিল বা পুনরায় চালু হচ্ছিল। আন্তর্জাতিক পরমাণু শক্তি সংস্থার চুল্লি ডেটাবেস ব্যবহার করে প্রতিটি চুল্লির জানানো ভার থেকে মাস ধরে প্রত্যাশিত প্রবাহ হিসাব করা হয়েছে।

পটভূমি আসে ভূ-নিউট্রিনো থেকে — পৃথিবীর নিজস্ব তেজস্ক্রিয়তা থেকে আসা প্রতিনিউট্রিনো — আকস্মিক কাকতালীয় মিল থেকে, এবং মহাজাগতিক মিউয়নের রেখে যাওয়া তেজস্ক্রিয় ধ্বংসাবশেষ থেকে। এটি মাপতে দলটি একটি সৌভাগ্যজনক সময়ের সুযোগ নিয়েছে: ২০২০ সালের নভেম্বর ও ডিসেম্বরে ওয়াকাসা উপসাগরের প্রধান চুল্লিগুলো বন্ধ ছিল বা বন্ধ হচ্ছিল। ওই দুই মাসের তথ্য প্রায় বিশুদ্ধ পটভূমি।

বিশ্লেষণটি ২০২১ সালের ফেব্রুয়ারি থেকে ২০২৩ সালের সেপ্টেম্বর পর্যন্ত ৪১১.৫২ দিনের সক্রিয় সময় জুড়ে। একটি মেশিন-লার্নিং শ্রেণিবিন্যাসক, আর দুই ঝলকের মধ্যে সময় (৮০ মাইক্রোসেকেন্ডের কম) ও দূরত্বের (২ মিটারের কম) শর্ত, সম্ভাব্য জোড়াগুলো বেছে নেয়।

চুল্লির পিছু নেওয়া সংকেত

মাসিক ঘটনার হার চুল্লির কার্যকলাপ অনুসরণ করে এবং দোলনসহ পূর্বাভাসের সঙ্গে মেলে। চুল্লির প্রতিনিউট্রিনো ছাড়া একটি জগৎ প্রায় ৬ সিগমা তাৎপর্যে বাতিল হয়: সুপার-কামিওকান্দেতে চুল্লির প্রতিনিউট্রিনোর প্রথম পর্যবেক্ষণ। গবেষণাপত্রে বাছাই করা ঘটনার মোট সংখ্যা দেওয়া নেই।

শক্তি বর্ণালি থেকে দলটি দুটি দোলন প্যারামিটার বের করেছে: sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155 এবং Δm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV²।

নিউট্রিনো ও প্রতিনিউট্রিনো, পাশাপাশি

সুপার-কামিওকান্দে সূর্য থেকে আসা নিউট্রিনোও মাপে, যা পদার্থ, প্রতিপদার্থ নয়। দুটির তুলনা পদার্থবিজ্ঞানের একটি মৌলিক প্রতিসাম্যের পরীক্ষা, যাকে CPT বলে। কোণের ক্ষেত্রে মানগুলো প্রায় ১.১ সিগমা এবং ভর-পার্থক্যের ক্ষেত্রে ২.২ সিগমা আলাদা; সামগ্রিকভাবে দুই ডেটা সেট ১.৯ সিগমা স্তরে সামঞ্জস্যপূর্ণ — পার্থক্যের কোনো পরিসংখ্যানগতভাবে তাৎপর্যপূর্ণ লক্ষণ নেই। একত্রে এগুলো দেয় sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026) এবং Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV²।

Physical Review Letters-এ জমা দেওয়া প্রিপ্রিন্টটিতে একটি অসংগতি আছে: সামঞ্জস্য পরীক্ষাটি মূল লেখায় Δχ² = 7.25 এবং পরিশিষ্টে 7.64 হিসেবে দেওয়া, আর দুটিকেই ১.৯ সিগমা বলা হয়েছে। লেখকদের উপসংহার, গ্যাডোলিনিয়াম-মিশ্রিত পানি একটি বিশাল চেরেনকভ ট্যাংককে কয়েক মিলিয়ন ইলেকট্রনভোল্টের প্রতিনিউট্রিনোর জন্য একটি কার্যকর শনাক্তকারীতে পরিণত করে, সেই শক্তি-পরিসরে ভবিষ্যৎ পরিমাপের সম্ভাবনাসহ।