DEV BİR SU TANKI 146 KM UZAKTAKİ NÜKLEER SANTRALLERİ YAKALIYOR

Nükleer reaktörler elektron antinötrinosu fabrikalarıdır. Yakıtın içinde fisyon parçaları beta bozunmasına uğrar: bir çekirdekteki nötron bir protona, bir elektrona ve bir antinötrinoya dönüşür. Reaktörler aslında, 1956’daki Cowan–Reines deneyinde, şimdiye kadar saptanan ilk nötrino kaynağıydı. O zamandan beri nötrinoların nasıl salındığını — yol alırken tür değiştirdiğini — ölçmeye yardımcı oldular.

Japonya, Amerika Birleşik Devletleri, Avrupa, Kore, Çin, Kanada ve başka yerlerden yaklaşık 250 fizikçiden oluşan Super-Kamiokande işbirliği, şimdi kendi dedektörünün de onları gördüğünü bildiriyor.

Daha büyük av için yapılmış bir tank

Super-Kamiokande, Japonya’daki Kamioka madeninde yerin 1.000 metre altında bulunan 50 kilotonluk bir su dedektörüdür. İç hacmi, her biri 20 inç genişliğinde 11.129 ışık algılayıcısının gözlediği 32.000 ton su barındırır. Suyu geçen hızlı yüklü bir parçacık, Cherenkov ışığı denen soluk bir ışık konisi yayar; bundan konumu, yönü ve enerjisi yeniden oluşturulabilir.

Ancak reaktör antinötrinoları yalnızca birkaç milyon elektronvolt taşır. Bu düşük enerji aralığında tek bir parlama, doğal radyoaktivitenin ve kozmik ışın kalıntılarının arasında kolayca kaybolur.

Bir tutam gadolinyum

İşin püf noktası iki vuruşlu bir imza. Bir antinötrino sudaki bir protona çarptığında, hemen parlayan bir pozitron ve dolaşan, yavaşlayan ve sonunda bir çekirdek tarafından yakalanan bir nötron üretir. Hidrojen tarafından yakalanan nötron, görülmesi zor, tek bir 2,2 MeV’lik gama ışını salar. Gadolinyum tarafından yakalandığında ise toplamı yaklaşık 8 MeV olan, görülmesi kolay bir gama ışını kaskadı salar.

Bu yüzden Temmuz 2020’de suya 13 ton gadolinyum sülfat çözüldü (kütlece %0,011); Haziran 2022’de 27 ton daha eklendi (%0,033). Nötronların önce yaklaşık yarısı, sonra yaklaşık dörtte üçü artık gadolinyum tarafından, önce kabaca 120, sonra 60 mikrosaniye içinde yakalanıyor. Hızlı bir yazılım tetikleyicisi, yaklaşık 2,5 MeV’ye kadar elektronları neredeyse %100 verimle yakalıyor.

Wakasa Körfezi’ni dinlemek

Dedektöre yaklaşık 200 km mesafede, çoğu Japonya’da, küçük bir kısmı Kore’de olmak üzere birkaç santral bulunuyor. En yakın aktif olanlar Wakasa Körfezi’nde: Mihama 3 (146 km), Ohi 3 ve 4 (179 km) ve Takahama 1 ila 4 (191 km). 2020 ile 2023 arasında bunların birçoğu çalışıyor ya da yeniden devreye giriyordu. Beklenen akı, Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı’nın reaktör veritabanı kullanılarak her reaktörün bildirilen yükünden ay ay hesaplandı.

Arka plan; jeonötrinolardan — Dünya’nın kendi radyoaktivitesinden gelen antinötrinolar —, rastlantısal çakışmalardan ve kozmik müonların bıraktığı radyoaktif kalıntılardan geliyor. Bunu ölçmek için ekip şanslı bir pencere kullandı: Kasım ve Aralık 2020’de Wakasa Körfezi’nin ana reaktörleri kapalıydı ya da kapanıyordu. Bu iki ayın verileri neredeyse saf arka plan.

Analiz, Şubat 2021’den Eylül 2023’e kadar 411,52 günlük canlı süreyi kapsıyor. Bir makine öğrenmesi sınıflandırıcısı ile iki parlama arasındaki zaman (80 mikrosaniyenin altında) ve mesafe (2 metrenin altında) kesimleri aday çiftleri seçiyor.

Reaktörleri izleyen bir sinyal

Aylık olay oranı reaktörlerin faaliyetini izliyor ve salınımları içeren öngörüyle uyuşuyor. Reaktör antinötrinosu olmayan bir dünya yaklaşık 6 sigma anlamlılıkla reddediliyor: Super-Kamiokande’de reaktör antinötrinolarının ilk gözlemi. Makale, seçilen toplam olay sayısını vermiyor.

Enerji spektrumundan ekip iki salınım parametresi çıkarıyor: sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155 ve Δm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV².

Nötrinolar ve antinötrinolar, yan yana

Super-Kamiokande, antimadde değil madde olan Güneş nötrinolarını da ölçüyor. İkisini karşılaştırmak, fiziğin CPT denen temel bir simetrisinin testidir. Değerler açı için yaklaşık 1,1 sigma, kütle farkı için 2,2 sigma farklı; genel olarak iki veri kümesi 1,9 sigma düzeyinde uyumlu — istatistiksel olarak anlamlı bir fark işareti yok. Birleştirildiklerinde sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026) ve Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV² veriyorlar.

Physical Review Letters’a gönderilen ön baskı bir tutarsızlık içeriyor: uyumluluk testi ana metinde Δχ² = 7.25, ekte ise 7.64 olarak veriliyor; ikisi de 1,9 sigma olarak aktarılıyor. Yazarlar, gadolinyum yüklü suyun dev bir Cherenkov tankını birkaç milyon elektronvoltluk antinötrinolar için çalışan bir dedektöre dönüştürdüğü ve bu enerji aralığında gelecekteki ölçümler için potansiyel taşıdığı sonucuna varıyor.