146 కి.మీ. దూరంలోని అణు కేంద్రాలను పట్టుకున్న భారీ నీటి తొట్టి

అణు రియాక్టర్లు ఎలక్ట్రాన్ యాంటీన్యూట్రినోల కర్మాగారాలు. ఇంధనం లోపల, విచ్ఛిత్తి ముక్కలు బీటా క్షయానికి గురవుతాయి: కేంద్రకంలోని ఒక న్యూట్రాన్ ప్రోటాన్, ఎలక్ట్రాన్, యాంటీన్యూట్రినోగా మారుతుంది. నిజానికి, 1956 కోవాన్–రీన్స్ ప్రయోగంలో కనుగొన్న మొట్టమొదటి న్యూట్రినో మూలం రియాక్టర్లే. అప్పటి నుంచి, న్యూట్రినోలు ఎలా డోలనం చెందుతాయో — ప్రయాణిస్తూ రకం మారుస్తాయో — కొలవడానికి అవి సహాయపడ్డాయి.

జపాన్, అమెరికా, యూరప్, కొరియా, చైనా, కెనడా తదితర ప్రాంతాలకు చెందిన సుమారు 250 మంది భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు ఉన్న సూపర్-కామియోకాండే సహకార బృందం, తమ డిటెక్టర్ కూడా వాటిని చూస్తోందని ఇప్పుడు నివేదిస్తోంది.

పెద్ద వేట కోసం నిర్మించిన తొట్టి

సూపర్-కామియోకాండే జపాన్‌లోని కామియోకా గనిలో భూమికి 1,000 మీటర్ల లోతున ఉన్న 50 కిలోటన్నుల నీటి డిటెక్టర్. దాని లోపలి భాగంలో 32,000 టన్నుల నీరు ఉంటుంది, దాన్ని ఒక్కొక్కటి 20 అంగుళాల వెడల్పున్న 11,129 కాంతి సెన్సార్లు గమనిస్తుంటాయి. వేగవంతమైన ఆవేశిత కణం నీటిని దాటినప్పుడు మసకైన కాంతి శంకువును, అంటే చెరెన్‌కోవ్ కాంతిని, విడుదల చేస్తుంది, దాని నుంచి కణం స్థానం, దిశ, శక్తిని పునర్నిర్మించవచ్చు.

అయితే రియాక్టర్ యాంటీన్యూట్రినోలు కేవలం కొన్ని మిలియన్ ఎలక్ట్రాన్‌వోల్ట్‌ల శక్తిని మాత్రమే మోస్తాయి. ఈ తక్కువ శక్తి పరిధిలో, ఒంటరి మెరుపు సహజ రేడియోధార్మికత, కాస్మిక్ కిరణాల శిథిలాల మధ్య సులభంగా కోల్పోతుంది.

చిటికెడు గాడోలినియం

ఉపాయం రెండు దెబ్బల సంతకం. యాంటీన్యూట్రినో నీటిలోని ప్రోటాన్‌ను ఢీకొన్నప్పుడు, అది వెంటనే మెరిసే ఒక పాజిట్రాన్‌ను, తిరుగుతూ నెమ్మదించి చివరికి ఒక కేంద్రకానికి పట్టుబడే ఒక న్యూట్రాన్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. హైడ్రోజన్ పట్టుకుంటే, న్యూట్రాన్ 2.2 MeV ఒకే గామా కిరణాన్ని విడుదల చేస్తుంది, అది చూడటం కష్టం. గాడోలినియం పట్టుకుంటే, మొత్తం సుమారు 8 MeV గామా కిరణాల వరుసను విడుదల చేస్తుంది, అది చూడటం సులభం.

అందుకే జూలై 2020లో 13 టన్నుల గాడోలినియం సల్ఫేట్‌ను నీటిలో కరిగించారు (ద్రవ్యరాశి పరంగా 0.011%); జూన్ 2022లో మరో 27 టన్నులు జోడించారు (0.033%). ఇప్పుడు సుమారు సగం న్యూట్రాన్లు, తర్వాత సుమారు మూడొంతులు, గాడోలినియంకు పట్టుబడుతున్నాయి, సుమారు 120, తర్వాత 60 మైక్రోసెకన్లలో. వేగవంతమైన సాఫ్ట్‌వేర్ ట్రిగ్గర్ సుమారు 2.5 MeV వరకు ఎలక్ట్రాన్లను దాదాపు 100% సామర్థ్యంతో పట్టుకుంటుంది.

వకాసా అఖాతాన్ని ఆలకిస్తూ

డిటెక్టర్ నుంచి సుమారు 200 కి.మీ. దూరంలో అనేక విద్యుత్ కేంద్రాలు ఉన్నాయి, ఎక్కువగా జపాన్‌లో, కొరియా నుంచి కొద్ది వాటా. అత్యంత సమీపంలో పనిచేస్తున్నవి వకాసా అఖాతం వద్ద ఉన్నాయి: మిహామా 3 (146 కి.మీ.), ఓహి 3, 4 (179 కి.మీ.), తకహామా 1 నుంచి 4 (191 కి.మీ.). 2020 నుంచి 2023 మధ్య వీటిలో చాలావరకు పనిచేస్తూ లేదా పునఃప్రారంభమవుతూ ఉన్నాయి. అంతర్జాతీయ అణుశక్తి సంస్థ రియాక్టర్ డేటాబేస్ ఉపయోగించి, ప్రతి రియాక్టర్ నివేదించిన లోడ్ నుంచి ఆశించిన ఫ్లక్స్‌ను నెలవారీగా లెక్కించారు.

నేపథ్యం భూ-న్యూట్రినోల నుంచి — భూమి సొంత రేడియోధార్మికత నుంచి వచ్చే యాంటీన్యూట్రినోలు — యాదృచ్ఛికంగా ఏకకాలంలో జరిగే సంఘటనల నుంచి, కాస్మిక్ మ్యూయాన్లు వదిలిన రేడియోధార్మిక శిథిలాల నుంచి వస్తుంది. దాన్ని కొలవడానికి బృందం ఒక అదృష్ట వ్యవధిని ఉపయోగించుకుంది: నవంబర్, డిసెంబర్ 2020లో వకాసా అఖాతపు ప్రధాన రియాక్టర్లు ఆపివేయబడి ఉన్నాయి లేదా ఆగిపోతున్నాయి. ఆ రెండు నెలల దత్తాంశం దాదాపు స్వచ్ఛమైన నేపథ్యం.

విశ్లేషణ ఫిబ్రవరి 2021 నుంచి సెప్టెంబర్ 2023 వరకు 411.52 రోజుల వాస్తవ పరిశీలన సమయాన్ని కవర్ చేస్తుంది. ఒక మెషీన్-లెర్నింగ్ వర్గీకరణి, రెండు మెరుపుల మధ్య సమయం (80 మైక్రోసెకన్ల లోపు), దూరం (2 మీటర్ల లోపు) పై పరిమితులు అభ్యర్థి జంటలను ఎంచుకుంటాయి.

రియాక్టర్లను అనుసరించే సంకేతం

నెలవారీ సంఘటనల రేటు రియాక్టర్ల కార్యకలాపాలను అనుసరిస్తుంది, డోలనాలను కలుపుకున్న అంచనాకు సరిపోలుతుంది. రియాక్టర్ యాంటీన్యూట్రినోలు లేని ప్రపంచాన్ని సుమారు 6 సిగ్మా ప్రాముఖ్యతతో తిరస్కరించారు: సూపర్-కామియోకాండేలో రియాక్టర్ యాంటీన్యూట్రినోల తొలి పరిశీలన. ఎంచుకున్న సంఘటనల మొత్తం సంఖ్యను పత్రం ఇవ్వలేదు.

శక్తి వర్ణపటం నుంచి బృందం రెండు డోలన పరామితులను రాబట్టింది: sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155, Δm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV².

న్యూట్రినోలు, యాంటీన్యూట్రినోలు పక్కపక్కనే

సూపర్-కామియోకాండే సూర్యుడి నుంచి వచ్చే న్యూట్రినోలను కూడా కొలుస్తుంది, అవి ప్రతిపదార్థం కాదు, పదార్థం. ఈ రెండింటినీ పోల్చడం CPT అనే భౌతికశాస్త్రపు ప్రాథమిక సౌష్ఠవానికి పరీక్ష. విలువలు కోణానికి సుమారు 1.1 సిగ్మా, ద్రవ్యరాశి తేడాకు 2.2 సిగ్మా తేడాతో ఉన్నాయి; మొత్తంగా, రెండు దత్తాంశ సమితులు 1.9 సిగ్మా స్థాయిలో అనుకూలంగా ఉన్నాయి — గణాంకపరంగా ప్రాముఖ్యమైన తేడాకు సంకేతం లేదు. కలిపితే, అవి sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026), Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV² ఇస్తాయి.

Physical Review Letters‌కు సమర్పించిన ఈ ప్రీప్రింట్‌లో ఒక అసంగతి ఉంది: అనుకూలత పరీక్షను ప్రధాన వచనంలో Δχ² = 7.25గా, అనుబంధంలో 7.64గా ఇచ్చారు, రెండింటినీ 1.9 సిగ్మాగా పేర్కొన్నారు. గాడోలినియం కలిపిన నీరు భారీ చెరెన్‌కోవ్ తొట్టిని కొన్ని మిలియన్ ఎలక్ట్రాన్‌వోల్ట్‌ల యాంటీన్యూట్రినోల కోసం పనిచేసే డిటెక్టర్‌గా మారుస్తుందని, ఆ శక్తి పరిధిలో భవిష్యత్ కొలతలకు అవకాశం కల్పిస్తుందని రచయితలు తేల్చారు.