पानी के विशाल टैंक ने 146 किमी दूर के परमाणु संयंत्रों को पकड़ा

परमाणु रिएक्टर इलेक्ट्रॉन प्रतिन्यूट्रिनो के कारख़ाने हैं। ईंधन के भीतर विखंडन के टुकड़े बीटा क्षय से गुज़रते हैं: नाभिक में एक न्यूट्रॉन एक प्रोटॉन, एक इलेक्ट्रॉन और एक प्रतिन्यूट्रिनो में बदल जाता है। दरअसल, रिएक्टर ही न्यूट्रिनो का पहला स्रोत थे जिसे कभी पकड़ा गया, 1956 के कोवान–राइन्स प्रयोग में। तब से उन्होंने यह मापने में मदद की है कि न्यूट्रिनो कैसे दोलन करते हैं — यानी यात्रा करते हुए अपना प्रकार बदलते हैं।

सुपर-कामिओकांडे सहयोग, जिसमें जापान, अमेरिका, यूरोप, कोरिया, चीन, कनाडा और अन्य जगहों के लगभग 250 भौतिकविद हैं, अब बताता है कि उसका संसूचक भी इन्हें देखता है।

बड़े शिकार के लिए बना टैंक

सुपर-कामिओकांडे 50 किलोटन का एक जल-संसूचक है, जो जापान की कामिओका खदान में ज़मीन से 1,000 मीटर नीचे है। इसके भीतरी हिस्से में 32,000 टन पानी है, जिस पर 11,129 प्रकाश-संवेदक नज़र रखते हैं, हर एक 20 इंच चौड़ा। पानी को पार करता कोई तेज़ आवेशित कण प्रकाश का एक हल्का शंकु छोड़ता है, जिसे चेरेनकोव प्रकाश कहते हैं, और इससे उसकी स्थिति, दिशा और ऊर्जा का पुनर्निर्माण किया जा सकता है।

लेकिन रिएक्टर प्रतिन्यूट्रिनो केवल कुछ मिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट ऊर्जा लिए होते हैं। इस निम्न-ऊर्जा सीमा में एक अकेली चमक प्राकृतिक रेडियोधर्मिता और कॉस्मिक किरणों के मलबे के बीच आसानी से खो जाती है।

एक चुटकी गैडोलिनियम

तरकीब है दो तालों वाला एक हस्ताक्षर। जब कोई प्रतिन्यूट्रिनो पानी के किसी प्रोटॉन से टकराता है, तो वह एक पॉज़िट्रॉन बनाता है, जो तुरंत चमकता है, और एक न्यूट्रॉन, जो भटकता है, धीमा होता है और आख़िरकार किसी नाभिक द्वारा पकड़ लिया जाता है। हाइड्रोजन द्वारा पकड़े जाने पर न्यूट्रॉन 2.2 MeV की एक अकेली गामा किरण छोड़ता है, जिसे देखना कठिन है। गैडोलिनियम द्वारा पकड़े जाने पर वह गामा किरणों की एक शृंखला छोड़ता है जिनकी कुल ऊर्जा लगभग 8 MeV होती है, जिसे देखना आसान है।

इसलिए जुलाई 2020 में पानी में 13 टन गैडोलिनियम सल्फ़ेट घोला गया (द्रव्यमान के हिसाब से 0.011%); जून 2022 में 27 टन और मिलाया गया (0.033%)। अब लगभग आधे न्यूट्रॉन, और फिर लगभग तीन-चौथाई, गैडोलिनियम द्वारा पकड़े जाते हैं, क्रमशः लगभग 120 और फिर 60 माइक्रोसेकंड के भीतर। एक तेज़ सॉफ़्टवेयर ट्रिगर लगभग 2.5 MeV तक के इलेक्ट्रॉनों को लगभग 100% दक्षता से पकड़ता है।

वाकासा खाड़ी को सुनना

कई बिजली संयंत्र संसूचक से लगभग 200 किमी दूर हैं, ज़्यादातर जापान में, और कोरिया से थोड़ा योगदान। सबसे नज़दीकी सक्रिय संयंत्र वाकासा खाड़ी में हैं: मिहामा 3 (146 किमी), ओही 3 और 4 (179 किमी) और ताकाहामा 1 से 4 (191 किमी)। 2020 से 2023 के बीच इनमें से कई चल रहे थे या फिर से शुरू हो रहे थे। अपेक्षित प्रवाह की गणना हर रिएक्टर के बताए गए भार से महीने-दर-महीने की गई, जिसके लिए अंतरराष्ट्रीय परमाणु ऊर्जा एजेंसी के रिएक्टर डेटाबेस का इस्तेमाल हुआ।

पृष्ठभूमि भू-न्यूट्रिनो से आती है — पृथ्वी की अपनी रेडियोधर्मिता से निकले प्रतिन्यूट्रिनो — संयोगवश हुए मेलों से, और कॉस्मिक म्यूऑन द्वारा छोड़े गए रेडियोधर्मी मलबे से। इसे मापने के लिए टीम ने एक भाग्यशाली अवधि का फ़ायदा उठाया: नवंबर और दिसंबर 2020 में वाकासा खाड़ी के मुख्य रिएक्टर बंद थे या बंद हो रहे थे। उन दो महीनों के आँकड़े लगभग शुद्ध पृष्ठभूमि हैं।

विश्लेषण फ़रवरी 2021 से सितंबर 2023 तक के 411.52 दिनों के सक्रिय समय को कवर करता है। एक मशीन-लर्निंग वर्गीकारक, और दोनों चमकों के बीच समय (80 माइक्रोसेकंड से कम) और दूरी (2 मीटर से कम) पर लगी कसौटियाँ, उम्मीदवार जोड़ों को छाँटती हैं।

रिएक्टरों के पीछे चलता संकेत

घटनाओं की मासिक दर रिएक्टरों की गतिविधि का अनुसरण करती है और दोलनों को शामिल करने वाली भविष्यवाणी से मेल खाती है। रिएक्टर प्रतिन्यूट्रिनो के बिना वाली दुनिया की संभावना लगभग 6 सिग्मा की सार्थकता के साथ ख़ारिज होती है: सुपर-कामिओकांडे में रिएक्टर प्रतिन्यूट्रिनो का पहला प्रेक्षण। शोधपत्र चुनी गई घटनाओं की कुल संख्या नहीं बताता।

ऊर्जा स्पेक्ट्रम से टीम दो दोलन प्राचल निकालती है: sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155 और Δm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV²।

न्यूट्रिनो और प्रतिन्यूट्रिनो, साथ-साथ

सुपर-कामिओकांडे सूर्य से आने वाले न्यूट्रिनो भी मापता है, जो पदार्थ हैं, प्रतिपदार्थ नहीं। दोनों की तुलना भौतिकी की एक बुनियादी समरूपता, जिसे CPT कहते हैं, की परीक्षा है। मान कोण के लिए लगभग 1.1 सिग्मा और द्रव्यमान-अंतर के लिए 2.2 सिग्मा से भिन्न हैं; कुल मिलाकर दोनों डेटा सेट 1.9 सिग्मा के स्तर पर संगत हैं — अंतर का कोई सांख्यिकीय रूप से सार्थक संकेत नहीं। मिलाकर वे sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026) और Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV² देते हैं।

Physical Review Letters को भेजे गए इस प्रीप्रिंट में एक असंगति है: संगतता परीक्षण मुख्य पाठ में Δχ² = 7.25 और परिशिष्ट में 7.64 दिया गया है, और दोनों को 1.9 सिग्मा बताया गया है। लेखकों का निष्कर्ष है कि गैडोलिनियम मिला पानी एक विशाल चेरेनकोव टैंक को कुछ मिलियन इलेक्ट्रॉनवोल्ट वाले प्रतिन्यूट्रिनो के लिए एक कारगर संसूचक में बदल देता है, जिसमें उस ऊर्जा सीमा में भविष्य के मापों की संभावना है।