पाण्याच्या महाकाय टाकीने 146 किमीवरील अणुभट्ट्या टिपल्या

अणुभट्ट्या म्हणजे इलेक्ट्रॉन प्रतिन्यूट्रिनोंचे कारखाने. इंधनाच्या आत विखंडनाचे तुकडे बीटा क्षयातून जातात: अणुकेंद्रकातील एक न्यूट्रॉन प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन आणि प्रतिन्यूट्रिनो यांत रूपांतरित होतो. खरे तर, 1956 च्या कोवन–राइन्स प्रयोगात शोधले गेलेले न्यूट्रिनोंचे पहिलेवहिले स्रोत अणुभट्ट्याच होत्या. तेव्हापासून न्यूट्रिनो कसे दोलन करतात — प्रवास करताना प्रकार बदलतात — हे मोजण्यात त्यांनी मदत केली आहे.

जपान, अमेरिका, युरोप, कोरिया, चीन, कॅनडा आणि इतर ठिकाणचे सुमारे 250 भौतिकशास्त्रज्ञ असलेला सुपर-कामिओकांडे सहयोग आता कळवतो की त्यांच्या संसूचकालाही ते दिसतात.

मोठ्या सावजासाठी बांधलेली टाकी

सुपर-कामिओकांडे हा जपानच्या कामिओका खाणीत जमिनीखाली 1,000 मीटरवर असलेला 50 किलोटनचा जल-संसूचक आहे. त्याच्या आतील भागात 32,000 टन पाणी आहे, ज्यावर प्रत्येकी 20 इंच रुंदीचे 11,129 प्रकाश-संवेदक लक्ष ठेवतात. वेगवान प्रभारित कण पाण्यातून जातो तेव्हा तो प्रकाशाचा अंधुक शंकू, म्हणजे चेरेन्कोव्ह प्रकाश, उत्सर्जित करतो, ज्यावरून त्याचे स्थान, दिशा आणि ऊर्जा पुन्हा ठरवता येते.

मात्र अणुभट्टी-प्रतिन्यूट्रिनो फक्त काही दशलक्ष इलेक्ट्रॉनव्होल्ट ऊर्जा वाहतात. या कमी ऊर्जेच्या पल्ल्यात एकटी चमक नैसर्गिक किरणोत्सर्ग आणि वैश्विक किरणांच्या अवशेषांमध्ये सहज हरवते.

चिमूटभर गॅडोलिनियम

युक्ती दोन ठोक्यांच्या खुणेत आहे. प्रतिन्यूट्रिनो पाण्यातील प्रोटॉनवर आदळतो तेव्हा तो एक पॉझिट्रॉन निर्माण करतो, जो लगेच चमकतो, आणि एक न्यूट्रॉन, जो भटकतो, मंदावतो आणि शेवटी एखाद्या अणुकेंद्रकाकडून पकडला जातो. हायड्रोजनने पकडल्यास न्यूट्रॉन 2.2 MeV चा एकच गॅमा किरण सोडतो, जो दिसणे कठीण. गॅडोलिनियमने पकडल्यास तो एकूण सुमारे 8 MeV च्या गॅमा किरणांची मालिका सोडतो, जी सहज दिसते.

म्हणून जुलै 2020 मध्ये 13 टन गॅडोलिनियम सल्फेट पाण्यात विरघळवले गेले (वस्तुमानाने 0.011%); जून 2022 मध्ये आणखी 27 टन मिसळले गेले (0.033%). आता सुमारे निम्मे न्यूट्रॉन, आणि नंतर सुमारे तीन-चतुर्थांश, गॅडोलिनियमकडून पकडले जातात, अनुक्रमे सुमारे 120 आणि नंतर 60 मायक्रोसेकंदांत. एक वेगवान सॉफ्टवेअर ट्रिगर सुमारे 2.5 MeV पर्यंतचे इलेक्ट्रॉन जवळपास 100% कार्यक्षमतेने टिपतो.

वाकासा उपसागराचा कानोसा

संसूचकापासून सुमारे 200 किमीवर अनेक वीजकेंद्रे आहेत, बहुतेक जपानमध्ये, आणि कोरियाकडूनही थोडे योगदान. सर्वात जवळची कार्यरत केंद्रे वाकासा उपसागरावर आहेत: मिहामा 3 (146 किमी), ओही 3 आणि 4 (179 किमी) आणि ताकाहामा 1 ते 4 (191 किमी). 2020 ते 2023 दरम्यान त्यांपैकी अनेक कार्यरत होत्या किंवा पुन्हा सुरू होत होत्या. आंतरराष्ट्रीय अणुऊर्जा संस्थेचा अणुभट्टी-डेटाबेस वापरून, प्रत्येक अणुभट्टीच्या नोंदवलेल्या भारावरून अपेक्षित प्रवाह महिनावार मोजला गेला.

पार्श्वभूमी येते भू-न्यूट्रिनोंपासून — पृथ्वीच्या स्वतःच्या किरणोत्सर्गातून येणारे प्रतिन्यूट्रिनो — योगायोगाने घडणाऱ्या जुळण्यांपासून, आणि वैश्विक म्युऑनांनी मागे सोडलेल्या किरणोत्सारी अवशेषांपासून. ती मोजण्यासाठी चमूने एका भाग्यवान खिडकीचा उपयोग केला: नोव्हेंबर आणि डिसेंबर 2020 मध्ये वाकासा उपसागरावरच्या मुख्य अणुभट्ट्या बंद होत्या किंवा बंद होत होत्या. त्या दोन महिन्यांचा डेटा जवळजवळ शुद्ध पार्श्वभूमी आहे.

विश्लेषणात फेब्रुवारी 2021 ते सप्टेंबर 2023 दरम्यानचा 411.52 दिवसांचा प्रत्यक्ष नोंदणीकाळ समाविष्ट आहे. एक मशीन-लर्निंग वर्गीकारक, आणि दोन चमकांमधील वेळ (80 मायक्रोसेकंदांपेक्षा कमी) व अंतर (2 मीटरपेक्षा कमी) यांवरील मर्यादा, संभाव्य जोड्या निवडतात.

अणुभट्ट्यांचा माग घेणारा संकेत

मासिक घटना-दर अणुभट्ट्यांच्या कामकाजाचा माग घेतो आणि दोलनांचा समावेश असलेल्या भाकिताशी जुळतो. अणुभट्टी-प्रतिन्यूट्रिनो नसलेले जग सुमारे 6 सिग्मा सार्थकतेने नाकारले जाते: सुपर-कामिओकांडेमधील अणुभट्टी-प्रतिन्यूट्रिनोंचे पहिले निरीक्षण. शोधनिबंध निवडलेल्या घटनांची एकूण संख्या देत नाही.

ऊर्जा-वर्णपटावरून चमू दोन दोलन-घटक काढतो: sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155 आणि Δm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV².

न्यूट्रिनो आणि प्रतिन्यूट्रिनो, शेजारी शेजारी

सुपर-कामिओकांडे सूर्यापासून येणारे न्यूट्रिनोही मोजतो, जे प्रतिद्रव्य नव्हे तर द्रव्य आहेत. या दोघांची तुलना म्हणजे CPT नावाच्या भौतिकशास्त्राच्या एका मूलभूत सममितीची चाचणी. मूल्ये कोनासाठी सुमारे 1.1 सिग्मा आणि वस्तुमान-फरकासाठी 2.2 सिग्माने वेगळी आहेत; एकूण, दोन्ही डेटासंच 1.9 सिग्मा पातळीवर सुसंगत आहेत — फरकाचे सांख्यिकीयदृष्ट्या सार्थक चिन्ह नाही. एकत्रितपणे ते sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026) आणि Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV² देतात.

Physical Review Letters कडे सादर केलेल्या या पूर्वमुद्रणात एक विसंगती आहे: सुसंगततेची चाचणी मुख्य मजकुरात Δχ² = 7.25 आणि परिशिष्टात 7.64 अशी दिली आहे, आणि दोन्ही 1.9 सिग्मा म्हणून उद्धृत आहेत. लेखक निष्कर्ष काढतात की गॅडोलिनियम मिसळलेले पाणी महाकाय चेरेन्कोव्ह टाकीला काही दशलक्ष इलेक्ट्रॉनव्होल्टच्या प्रतिन्यूट्रिनोंसाठी कार्यरत संसूचकात बदलते, आणि त्या ऊर्जा-पल्ल्यात भविष्यातील मोजमापांची क्षमता निर्माण करते.