مخزن آب غول‌پیکری نیروگاه‌های هسته‌ای 146 کیلومتر دورتر را شکار می‌کند
راکتورهای هسته‌ای کارخانه‌های پادنوترینوی الکترونی هستند. درون سوخت، پاره‌های شکافت دچار واپاشی بتا می‌شوند: نوترونی در یک هسته به یک پروتون، یک الکترون و یک پادنوترینو تبدیل می‌شود. راکتورها در واقع نخستین منبع نوترینو بودند که آشکار شد، در آزمایش کوان–راینس در 1956. از آن زمان، به اندازه‌گیری اینکه نوترینوها چگونه نوسان می‌کنند — یعنی در حین سفر نوع خود را تغییر می‌دهند — کمک کرده‌اند.
همکاری سوپر-کامیوکانده، حدود 250 فیزیک‌دان از ژاپن، ایالات متحده، اروپا، کره، چین، کانادا و جاهای دیگر، اکنون گزارش می‌دهد که آشکارسازش نیز آن‌ها را می‌بیند.
مخزنی ساخته‌شده برای شکار بزرگ‌تر
سوپر-کامیوکانده آشکارسازی آبی به وزن 50 کیلوتن است، 1,000 متر زیر زمین در معدن کامیوکا در ژاپن. حجم درونی آن 32,000 تن آب دارد که 11,129 حسگر نوری، هر کدام به پهنای 20 اینچ، آن را می‌پایند. ذرهٔ باردار سریعی که از آب می‌گذرد، مخروط کم‌نوری از نور، یعنی نور چرنکوف، گسیل می‌کند که از روی آن می‌توان مکان، جهت و انرژی‌اش را بازسازی کرد.
اما پادنوترینوهای راکتوری تنها چند میلیون الکترون‌ولت انرژی دارند. در این گسترهٔ کم‌انرژی، یک درخشش تنها به‌آسانی در میان پرتوزایی طبیعی و بقایای پرتوهای کیهانی گم می‌شود.
یک ذره گادولینیوم
ترفند، امضایی در دو ضرب است. وقتی پادنوترینویی به پروتونی در آب برخورد می‌کند، یک پوزیترون تولید می‌کند که بی‌درنگ می‌درخشد، و یک نوترون که سرگردان می‌شود، کند می‌شود و سرانجام به دام یک هسته می‌افتد. اگر هیدروژن نوترون را به دام اندازد، تنها یک پرتو گامای 2.2 مگاالکترون‌ولتی آزاد می‌شود که دیدنش دشوار است. اگر گادولینیوم آن را به دام اندازد، آبشاری از پرتوهای گاما با مجموع حدود 8 مگاالکترون‌ولت آزاد می‌شود که دیدنش آسان است.
بنابراین در ژوئیهٔ 2020، 13 تن سولفات گادولینیوم در آب حل شد (0.011٪ جرمی)؛ در ژوئن 2022، 27 تن دیگر افزوده شد (0.033٪). اکنون حدود نیمی از نوترون‌ها، و سپس حدود سه‌چهارم آن‌ها، به ترتیب در حدود 120 و سپس 60 میکروثانیه به دام گادولینیوم می‌افتند. یک ماشهٔ نرم‌افزاری سریع، الکترون‌ها را تا حدود 2.5 مگاالکترون‌ولت با بازدهی نزدیک به 100٪ شکار می‌کند.
گوش سپردن به خلیج واکاسا
چندین نیروگاه در حدود 200 کیلومتری آشکارساز قرار دارند، بیشترشان در ژاپن، با سهمی کوچک از کره. نزدیک‌ترین نیروگاه‌های فعال در خلیج واکاسا هستند: میهاما 3 (146 کیلومتر)، اوهی 3 و 4 (179 کیلومتر) و تاکاهاما 1 تا 4 (191 کیلومتر). میان 2020 و 2023، بسیاری از آن‌ها در حال کار یا راه‌اندازی دوباره بودند. شار مورد انتظار ماه به ماه از بار گزارش‌شدهٔ هر راکتور، با استفاده از پایگاه دادهٔ راکتورهای آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، محاسبه شد.
نوفه زمینه از زمین‌نوترینوها — پادنوترینوهای ناشی از پرتوزایی خود زمین —، از هم‌زمانی‌های تصادفی و از بقایای پرتوزای به‌جامانده از میوئون‌های کیهانی می‌آید. تیم برای اندازه‌گیری آن از پنجره‌ای خوش‌اقبال استفاده کرد: در نوامبر و دسامبر 2020، راکتورهای اصلی خلیج واکاسا خاموش یا در حال خاموش شدن بودند. داده‌های آن دو ماه تقریباً سراسر نوفه زمینه است.
تحلیل 411.52 روز زمان فعال را، از فوریهٔ 2021 تا سپتامبر 2023، در بر می‌گیرد. یک دسته‌بند یادگیری ماشین و برش‌هایی بر زمان (کمتر از 80 میکروثانیه) و فاصله (کمتر از 2 متر) میان دو درخشش، جفت‌های نامزد را جدا می‌کنند.
سیگنالی که از راکتورها پیروی می‌کند
نرخ ماهانهٔ رویدادها فعالیت راکتورها را دنبال می‌کند و با پیش‌بینی‌ای که نوسان‌ها را در بر دارد همخوان است. جهانی بدون پادنوترینوهای راکتوری با معناداری حدود 6 سیگما رد می‌شود: نخستین مشاهدهٔ پادنوترینوهای راکتوری در سوپر-کامیوکانده. مقاله شمار کل رویدادهای گزینش‌شده را ارائه نمی‌دهد.
تیم از طیف انرژی دو پارامتر نوسان را استخراج می‌کند: sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155 و Δm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV².
نوترینوها و پادنوترینوها، کنار هم
سوپر-کامیوکانده نوترینوهای خورشید را نیز اندازه می‌گیرد که ماده‌اند، نه پادماده. مقایسهٔ این دو، آزمونی برای یک تقارن بنیادی فیزیک به نام CPT است. مقادیر برای زاویه حدود 1.1 سیگما و برای اختلاف جرم 2.2 سیگما با هم تفاوت دارند؛ در مجموع، دو مجموعه داده در سطح 1.9 سیگما سازگارند — هیچ نشانهٔ آماری معناداری از تفاوت وجود ندارد. با ترکیب آن‌ها، sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026) و Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV² به دست می‌آید.
پیش‌چاپ، که به Physical Review Letters فرستاده شده، یک ناسازگاری دارد: آزمون سازگاری در متن اصلی Δχ² = 7.25 و در پیوست 7.64 آمده و هر دو 1.9 سیگما گزارش شده‌اند. نویسندگان نتیجه می‌گیرند که آبِ آمیخته با گادولینیوم یک مخزن چرنکوف غول‌پیکر را به آشکارسازی کارآمد برای پادنوترینوهای چند میلیون الکترون‌ولتی تبدیل می‌کند که برای اندازه‌گیری‌های آینده در این گسترهٔ انرژی ظرفیت دارد.