پانی کا ایک دیوہیکل ٹینک 146 کلومیٹر دور ایٹمی بجلی گھروں کو پکڑ لیتا ہے

ایٹمی ری ایکٹر الیکٹران اینٹی نیوٹرینو کے کارخانے ہیں۔ ایندھن کے اندر انشقاق کے ٹکڑے بیٹا انحطاط سے گزرتے ہیں: کسی مرکزے میں ایک نیوٹران ایک پروٹان، ایک الیکٹران اور ایک اینٹی نیوٹرینو میں بدل جاتا ہے۔ درحقیقت ری ایکٹر ہی نیوٹرینو کا وہ پہلا ذریعہ تھے جس کا کبھی سراغ لگایا گیا، 1956 کے کووان–رینیز تجربے میں۔ تب سے انہوں نے یہ ناپنے میں مدد کی ہے کہ نیوٹرینو کیسے ارتعاش کرتے ہیں — سفر کے دوران اپنی قسم بدلتے ہیں۔

سپر-کامیوکانڈے اشتراک، جس میں جاپان، امریکہ، یورپ، کوریا، چین، کینیڈا اور دیگر جگہوں کے تقریباً 250 ماہرینِ طبیعیات شامل ہیں، اب اعلان کرتا ہے کہ اس کا ڈیٹیکٹر بھی انہیں دیکھتا ہے۔

بڑے شکار کے لیے بنا ٹینک

سپر-کامیوکانڈے پانی کا ایک 50 کلوٹن ڈیٹیکٹر ہے، جو جاپان کی کامیوکا کان میں زمین سے 1,000 میٹر نیچے ہے۔ اس کے اندرونی حجم میں 32,000 ٹن پانی ہے جس پر 11,129 روشنی کے سینسر نظر رکھتے ہیں، ہر ایک 20 انچ چوڑا۔ پانی سے گزرنے والا ایک تیز رفتار باردار ذرہ روشنی کا ایک مدھم مخروط خارج کرتا ہے، جسے چیرینکوف روشنی کہتے ہیں، جس سے اس کا مقام، سمت اور توانائی دوبارہ معلوم کی جا سکتی ہے۔

لیکن ری ایکٹر اینٹی نیوٹرینو صرف چند ملین الیکٹران وولٹ توانائی رکھتے ہیں۔ کم توانائی کی اس حد میں ایک اکیلی چمک قدرتی تابکاری اور کائناتی شعاعوں کے ملبے میں آسانی سے گم ہو جاتی ہے۔

گیڈولینیم کی ایک چٹکی

ترکیب دو تھاپوں والا ایک نشان ہے۔ جب کوئی اینٹی نیوٹرینو پانی میں کسی پروٹان سے ٹکراتا ہے تو وہ ایک پوزیٹران پیدا کرتا ہے، جو فوراً چمکتا ہے، اور ایک نیوٹران، جو بھٹکتا ہے، سست ہوتا ہے اور آخرکار کسی مرکزے کی گرفت میں آ جاتا ہے۔ ہائیڈروجن کی گرفت میں آئے تو نیوٹران 2.2 MeV کی ایک اکیلی گاما شعاع خارج کرتا ہے، جسے دیکھنا مشکل ہے۔ گیڈولینیم کی گرفت میں آئے تو وہ گاما شعاعوں کی ایک لڑی خارج کرتا ہے جن کی مجموعی توانائی تقریباً 8 MeV ہوتی ہے، جسے دیکھنا آسان ہے۔

چنانچہ جولائی 2020 میں 13 ٹن گیڈولینیم سلفیٹ پانی میں گھولا گیا (کمیت کے لحاظ سے 0.011%)؛ جون 2022 میں مزید 27 ٹن شامل کیے گئے (0.033%)۔ اب تقریباً آدھے نیوٹران، اور پھر تقریباً تین چوتھائی، گیڈولینیم کی گرفت میں آتے ہیں، تقریباً 120 اور پھر 60 مائیکرو سیکنڈ کے اندر۔ ایک تیز سافٹ ویئر ٹرگر تقریباً 2.5 MeV تک کے الیکٹرانوں کو تقریباً 100% کارکردگی سے پکڑ لیتا ہے۔

خلیجِ واکاسا کی آواز سننا

کئی بجلی گھر ڈیٹیکٹر سے تقریباً 200 کلومیٹر دور ہیں، زیادہ تر جاپان میں، اور ایک چھوٹا سا حصہ کوریا سے۔ قریب ترین فعال بجلی گھر خلیجِ واکاسا پر ہیں: میہاما 3 (146 کلومیٹر)، اوہی 3 اور 4 (179 کلومیٹر) اور تاکاہاما 1 تا 4 (191 کلومیٹر)۔ 2020 اور 2023 کے درمیان ان میں سے بہت سے چل رہے تھے یا دوبارہ شروع ہو رہے تھے۔ متوقع بہاؤ ہر ری ایکٹر کے رپورٹ شدہ بوجھ سے مہینہ بہ مہینہ نکالا گیا، بین الاقوامی جوہری توانائی ایجنسی کے ری ایکٹر ڈیٹابیس کی مدد سے۔

پس منظر جیونیوٹرینو سے آتا ہے — یعنی خود زمین کی تابکاری سے پیدا ہونے والے اینٹی نیوٹرینو — اتفاقی ہم وقتی واقعات سے، اور کائناتی میوآن کے چھوڑے ہوئے تابکار ملبے سے۔ اسے ناپنے کے لیے ٹیم نے ایک خوش قسمت موقع سے فائدہ اٹھایا: نومبر اور دسمبر 2020 میں خلیجِ واکاسا کے اہم ری ایکٹر بند تھے یا بند ہو رہے تھے۔ ان دو مہینوں کا ڈیٹا تقریباً خالص پس منظر ہے۔

تجزیہ فروری 2021 سے ستمبر 2023 تک 411.52 دن کے فعال وقت پر محیط ہے۔ مشین لرننگ پر مبنی ایک درجہ بند اور دونوں چمکوں کے درمیان وقت (80 مائیکرو سیکنڈ سے کم) اور فاصلے (2 میٹر سے کم) کی شرائط امیدوار جوڑوں کو چنتی ہیں۔

ری ایکٹروں کے پیچھے چلنے والا سگنل

واقعات کی ماہانہ شرح ری ایکٹروں کی سرگرمی کے ساتھ چلتی ہے اور ارتعاشات کو شامل کرنے والی پیش گوئی سے مطابقت رکھتی ہے۔ ری ایکٹر اینٹی نیوٹرینو کے بغیر دنیا کو تقریباً 6 سگما کی معنویت سے رد کیا جاتا ہے: سپر-کامیوکانڈے میں ری ایکٹر اینٹی نیوٹرینو کا پہلا مشاہدہ۔ مقالہ چنے گئے واقعات کی کل تعداد نہیں بتاتا۔

توانائی کے طیف سے ٹیم ارتعاش کے دو پیمانے نکالتی ہے: sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155 اور Δm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV²۔

نیوٹرینو اور اینٹی نیوٹرینو، شانہ بشانہ

سپر-کامیوکانڈے سورج سے آنے والے نیوٹرینو بھی ناپتا ہے، جو مادہ ہیں، ضدِ مادہ نہیں۔ دونوں کا موازنہ طبیعیات کی ایک بنیادی تشاکل، جسے CPT کہتے ہیں، کی آزمائش ہے۔ قدریں زاویے کے لیے تقریباً 1.1 سگما اور کمیت کے فرق کے لیے 2.2 سگما مختلف ہیں؛ مجموعی طور پر دونوں ڈیٹا سیٹ 1.9 سگما کی سطح پر ہم آہنگ ہیں — فرق کی کوئی شماریاتی طور پر معنی خیز علامت نہیں۔ ملا کر یہ sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026) اور Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV² دیتے ہیں۔

Physical Review Letters کو بھیجے گئے اس پری پرنٹ میں ایک تضاد ہے: ہم آہنگی کی جانچ مرکزی متن میں Δχ² = 7.25 اور ضمیمے میں 7.64 دی گئی ہے، اور دونوں کو 1.9 سگما بتایا گیا ہے۔ مصنفین یہ نتیجہ نکالتے ہیں کہ گیڈولینیم ملا پانی ایک دیوہیکل چیرینکوف ٹینک کو چند ملین الیکٹران وولٹ والے اینٹی نیوٹرینو کے لیے ایک کارآمد ڈیٹیکٹر میں بدل دیتا ہے، جس میں اس توانائی کی حد میں مستقبل کی پیمائشوں کی صلاحیت ہے۔