TANGKI AIR RAKSASA MENANGKAP PLTN SEJAUH 146 KM

Reaktor nuklir adalah pabrik antineutrino elektron. Di dalam bahan bakar, pecahan fisi mengalami peluruhan beta: sebuah neutron di dalam inti berubah menjadi proton, elektron, dan antineutrino. Reaktor bahkan merupakan sumber neutrino pertama yang pernah terdeteksi, dalam eksperimen Cowan–Reines tahun 1956. Sejak itu, reaktor membantu mengukur bagaimana neutrino berosilasi — berganti jenis saat bergerak.

Kolaborasi Super-Kamiokande, sekitar 250 fisikawan dari Jepang, Amerika Serikat, Eropa, Korea, Tiongkok, Kanada, dan tempat lain, kini melaporkan bahwa detektor mereka juga melihatnya.

Tangki yang dibangun untuk buruan lebih besar

Super-Kamiokande adalah detektor air berkapasitas 50 kiloton, 1.000 meter di bawah tanah di tambang Kamioka, Jepang. Volume dalamnya menampung 32.000 ton air yang diawasi oleh 11.129 sensor cahaya, masing-masing selebar 20 inci. Partikel bermuatan cepat yang melintasi air memancarkan kerucut cahaya samar, yaitu cahaya Cherenkov, yang dapat dipakai untuk merekonstruksi posisi, arah, dan energinya.

Namun antineutrino reaktor hanya membawa beberapa juta elektronvolt. Pada rentang energi rendah ini, satu kilatan tunggal mudah tenggelam di antara radioaktivitas alami dan serpihan sinar kosmik.

Sejumput gadolinium

Kuncinya adalah tanda tangan dua ketukan. Ketika antineutrino menabrak proton di dalam air, ia menghasilkan positron, yang langsung berkilat, dan neutron, yang berkelana, melambat, dan akhirnya ditangkap oleh sebuah inti. Bila ditangkap hidrogen, neutron melepaskan satu sinar gama 2,2 MeV yang sulit dilihat. Bila ditangkap gadolinium, neutron melepaskan rentetan sinar gama dengan total sekitar 8 MeV yang mudah dilihat.

Karena itu, pada Juli 2020, 13 ton gadolinium sulfat dilarutkan ke dalam air (0,011% massa); pada Juni 2022, 27 ton lagi ditambahkan (0,033%). Sekitar setengah neutron, lalu sekitar tiga perempatnya, kini ditangkap oleh gadolinium, dalam waktu sekitar 120 lalu 60 mikrodetik. Pemicu perangkat lunak yang cepat menangkap elektron mulai dari sekitar 2,5 MeV dengan efisiensi mendekati 100%.

Mendengarkan Teluk Wakasa

Beberapa pembangkit listrik terletak sekitar 200 km dari detektor, sebagian besar di Jepang, dengan sedikit kontribusi dari Korea. Yang aktif dan terdekat berada di Teluk Wakasa: Mihama 3 (146 km), Ohi 3 dan 4 (179 km), dan Takahama 1 hingga 4 (191 km). Antara 2020 dan 2023, banyak di antaranya beroperasi atau sedang dinyalakan kembali. Fluks yang diharapkan dihitung bulan demi bulan berdasarkan beban yang dilaporkan tiap reaktor, menggunakan basis data reaktor Badan Tenaga Atom Internasional.

Latar belakang berasal dari geoneutrino — antineutrino dari radioaktivitas Bumi sendiri —, dari kebetulan acak, dan dari serpihan radioaktif yang ditinggalkan muon kosmik. Untuk mengukurnya, tim memanfaatkan jendela keberuntungan: pada November dan Desember 2020, reaktor-reaktor utama Teluk Wakasa sedang mati atau dalam proses dimatikan. Data dari dua bulan itu hampir murni latar belakang.

Analisis mencakup 411,52 hari waktu aktif, dari Februari 2021 hingga September 2023. Pengklasifikasi pembelajaran mesin serta batasan waktu (di bawah 80 mikrodetik) dan jarak (di bawah 2 meter) antara dua kilatan memilih pasangan kandidat.

Sinyal yang mengikuti reaktor

Laju peristiwa bulanan mengikuti aktivitas reaktor dan cocok dengan prediksi yang memperhitungkan osilasi. Dunia tanpa antineutrino reaktor ditolak dengan signifikansi sekitar 6 sigma: pengamatan pertama antineutrino reaktor di Super-Kamiokande. Makalah tidak menyebutkan jumlah total peristiwa yang terpilih.

Dari spektrum energinya, tim mengekstrak dua parameter osilasi: sin²θ₁₂ = 0,500 ± 0,155 dan Δm²₂₁ = (9,08 +0,55/−0,54) × 10⁻⁵ eV².

Neutrino dan antineutrino, berdampingan

Super-Kamiokande juga mengukur neutrino dari Matahari, yang merupakan materi, bukan antimateri. Membandingkan keduanya adalah uji terhadap simetri dasar fisika yang disebut CPT. Nilainya berbeda sekitar 1,1 sigma untuk sudut dan 2,2 sigma untuk selisih massa; secara keseluruhan, kedua kumpulan data kompatibel pada tingkat 1,9 sigma — tidak ada tanda perbedaan yang signifikan secara statistik. Bila digabungkan, keduanya menghasilkan sin²θ₁₂ = 0,332 (+0,028/−0,026) dan Δm²₂₁ = (8,94 +0,46/−0,47) × 10⁻⁵ eV².

Pracetak yang diajukan ke Physical Review Letters ini memuat satu ketidakkonsistenan: uji kompatibilitas dicantumkan sebagai Δχ² = 7,25 di teks utama dan 7,64 di lampiran, keduanya disebut setara 1,9 sigma. Para penulis menyimpulkan bahwa air yang diberi gadolinium mengubah tangki Cherenkov raksasa menjadi detektor yang berfungsi untuk antineutrino berenergi beberapa juta elektronvolt, dengan potensi untuk pengukuran masa depan pada rentang energi tersebut.