TANGI KUBWA LA MAJI LANASA VINU VYA NYUKLIA VILIVYO KM 146

Vinu vya nyuklia ni viwanda vya antineutrino za elektroni. Ndani ya fueli, vipande vya mpasuko hupitia uozo wa beta: nutroni ndani ya kiini hugeuka kuwa protoni, elektroni na antineutrino. Kwa hakika, vinu ndivyo vilivyokuwa chanzo cha kwanza kabisa cha neutrino kuwahi kugunduliwa, katika jaribio la Cowan–Reines la mwaka 1956. Tangu hapo, vimesaidia kupima jinsi neutrino zinavyozunguka aina (oscillation) — kubadilika aina zinaposafiri.

Ushirikiano wa Super-Kamiokande, wanafizikia takriban 250 kutoka Japani, Marekani, Ulaya, Korea, China, Kanada na kwingineko, sasa unaripoti kwamba kigunduzi chake kinaziona pia.

Tangi lililojengwa kwa windo kubwa zaidi

Super-Kamiokande ni kigunduzi cha maji cha kilotani 50, mita 1,000 chini ya ardhi katika mgodi wa Kamioka nchini Japani. Ujazo wake wa ndani una tani 32,000 za maji yanayolindwa na vihisi vya mwanga 11,129, kila kimoja chenye upana wa inchi 20. Chembe yenye chaji inayopita kwa kasi ndani ya maji hutoa koni hafifu ya mwanga, mwanga wa Cherenkov, ambao kutoka kwake mahali, mwelekeo na nishati yake vinaweza kujengwa upya.

Hata hivyo, antineutrino za vinu hubeba elektronivolti milioni chache tu. Katika masafa haya ya nishati ndogo, mmweko mmoja peke yake hupotea kwa urahisi katikati ya mionzi ya asili na mabaki ya miale ya anga.

Kidogo cha gadolinium

Ujanja ni alama ya mipigo miwili. Antineutrino inapogonga protoni ndani ya maji, huzalisha positroni, inayomweka papo hapo, na nutroni, inayozurura, kupunguza kasi na hatimaye kunaswa na kiini. Ikinaswa na hidrojeni, nutroni hutoa mionzi gamma moja ya MeV 2.2, ngumu kuonekana. Ikinaswa na gadolinium, hutoa mfululizo wa mionzi gamma yenye jumla ya takriban MeV 8, rahisi kuonekana.

Kwa hiyo mnamo Julai 2020, tani 13 za salfati ya gadolinium ziliyeyushwa ndani ya maji (0.011% kwa uzito); mnamo Juni 2022, tani 27 zaidi ziliongezwa (0.033%). Takriban nusu ya nutroni, kisha takriban robo tatu, sasa hunaswa na gadolinium, ndani ya takriban mikrosekunde 120 kisha 60. Kichochezi cha haraka cha programu hunasa elektroni hadi takriban MeV 2.5 kwa ufanisi wa karibu 100%.

Kusikiliza Ghuba ya Wakasa

Vituo kadhaa vya umeme viko takriban km 200 kutoka kigunduzi, vingi vikiwa nchini Japani, na mchango mdogo kutoka Korea. Vilivyo karibu zaidi vinavyofanya kazi viko Ghuba ya Wakasa: Mihama 3 (km 146), Ohi 3 na 4 (km 179) na Takahama 1 hadi 4 (km 191). Kati ya 2020 na 2023, vingi kati ya hivyo vilikuwa vikifanya kazi au vikiwashwa upya. Mtiririko uliotarajiwa ulihesabiwa mwezi kwa mwezi kutoka mzigo ulioripotiwa wa kila kinu, kwa kutumia hifadhidata ya vinu ya Shirika la Kimataifa la Nishati ya Atomiki.

Mandharinyuma hutoka kwa geoneutrino — antineutrino kutoka mionzi ya Dunia yenyewe — kwa matukio yanayokutana kwa bahati, na kwa mabaki ya mionzi yaliyoachwa na muoni za anga. Ili kuyapima, timu ilitumia dirisha la bahati: mnamo Novemba na Desemba 2020, vinu vikuu vya Ghuba ya Wakasa vilikuwa vimezimwa au vikizimwa. Data za miezi hiyo miwili ni karibu mandharinyuma tupu.

Uchambuzi unahusu siku 411.52 za muda halisi wa kurekodi, kuanzia Februari 2021 hadi Septemba 2023. Kiainishi cha ujifunzaji wa mashine na vikomo vya muda (chini ya mikrosekunde 80) na umbali (chini ya mita 2) kati ya mimweko miwili huchagua jozi zinazostahili.

Ishara inayofuata vinu

Kiwango cha matukio kwa mwezi kinafuata shughuli za vinu na kinalingana na utabiri unaojumuisha mizunguko ya aina. Ulimwengu usio na antineutrino za vinu unakataliwa kwa umuhimu wa takriban sigma 6: uonaji wa kwanza wa antineutrino za vinu katika Super-Kamiokande. Makala haitoi jumla ya idadi ya matukio yaliyochaguliwa.

Kutoka kwenye spektra ya nishati, timu inapata vigezo viwili vya mzunguko wa aina: sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155 na Δm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV².

Neutrino na antineutrino, bega kwa bega

Super-Kamiokande pia hupima neutrino kutoka Jua, ambazo ni maada, si antimaada. Kulinganisha hizo mbili ni jaribio la ulinganifu wa msingi wa fizikia, unaoitwa CPT. Thamani zinatofautiana kwa takriban sigma 1.1 kwa pembe na sigma 2.2 kwa tofauti ya uzito; kwa jumla, seti hizo mbili za data zinaendana katika kiwango cha sigma 1.9 — hakuna dalili ya tofauti yenye umuhimu wa kitakwimu. Zikiunganishwa, zinatoa sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026) na Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV².

Makala hii ya awali, iliyowasilishwa kwa Physical Review Letters, ina mkanganyiko mmoja: jaribio la uendanaji limetolewa kama Δχ² = 7.25 katika maandishi makuu na 7.64 katika kiambatisho, zote zikitajwa kuwa sigma 1.9. Waandishi wanahitimisha kwamba maji yaliyowekwa gadolinium hugeuza tangi kubwa la Cherenkov kuwa kigunduzi kinachofanya kazi kwa antineutrino za elektronivolti milioni chache, chenye uwezo wa vipimo vya siku zijazo katika masafa hayo ya nishati.