BỂ NƯỚC KHỔNG LỒ BẮT ĐƯỢC TÍN HIỆU TỪ NHÀ MÁY HẠT NHÂN CÁCH 146 KM

Lò phản ứng hạt nhân là những nhà máy sản xuất phản neutrino electron. Bên trong nhiên liệu, các mảnh phân hạch trải qua phân rã beta: một neutron trong hạt nhân biến thành một proton, một electron và một phản neutrino. Thực tế, lò phản ứng là nguồn neutrino đầu tiên từng được phát hiện, trong thí nghiệm Cowan–Reines năm 1956. Từ đó, chúng đã giúp đo cách neutrino dao động — đổi loại khi di chuyển.

Nhóm hợp tác Super-Kamiokande, khoảng 250 nhà vật lý từ Nhật Bản, Hoa Kỳ, châu Âu, Hàn Quốc, Trung Quốc, Canada và nhiều nơi khác, nay báo cáo rằng máy dò của họ cũng nhìn thấy chúng.

Một bể nước được xây cho những con mồi lớn hơn

Super-Kamiokande là một máy dò nước 50 kiloton, nằm sâu 1.000 mét dưới lòng đất trong mỏ Kamioka ở Nhật Bản. Thể tích bên trong chứa 32.000 tấn nước, được theo dõi bởi 11.129 cảm biến ánh sáng, mỗi cảm biến rộng 20 inch. Một hạt tích điện nhanh đi qua nước sẽ phát ra một hình nón ánh sáng mờ, ánh sáng Cherenkov, từ đó có thể dựng lại vị trí, hướng và năng lượng của nó.

Tuy nhiên, phản neutrino từ lò phản ứng chỉ mang vài triệu electronvolt. Ở dải năng lượng thấp này, một chớp sáng đơn lẻ dễ bị lẫn giữa phóng xạ tự nhiên và mảnh vụn từ tia vũ trụ.

Một nhúm gadolini

Mẹo nằm ở một dấu hiệu hai nhịp. Khi một phản neutrino va vào một proton trong nước, nó tạo ra một positron, chớp sáng ngay lập tức, và một neutron, đi lang thang, chậm dần rồi cuối cùng bị một hạt nhân bắt giữ. Nếu bị hydro bắt, neutron giải phóng một tia gamma duy nhất 2,2 MeV, khó thấy. Nếu bị gadolini bắt, nó giải phóng một chuỗi tia gamma tổng cộng khoảng 8 MeV, dễ thấy.

Vì vậy, tháng 7/2020, 13 tấn gadolini sunfat đã được hòa vào nước (0,011% theo khối lượng); tháng 6/2022, thêm 27 tấn nữa (0,033%). Giờ đây khoảng một nửa số neutron, rồi khoảng ba phần tư, bị gadolini bắt giữ, trong khoảng 120 rồi 60 micro giây. Một bộ kích hoạt phần mềm nhanh bắt được electron xuống tới khoảng 2,5 MeV với hiệu suất gần 100%.

Lắng nghe vịnh Wakasa

Một số nhà máy điện nằm cách máy dò khoảng 200 km, chủ yếu ở Nhật Bản, với một phần đóng góp nhỏ từ Hàn Quốc. Những nhà máy đang hoạt động gần nhất nằm ở vịnh Wakasa: Mihama 3 (146 km), Ohi 3 và 4 (179 km) và Takahama 1 đến 4 (191 km). Từ năm 2020 đến 2023, nhiều lò trong số đó đang chạy hoặc khởi động lại. Thông lượng dự kiến được tính theo từng tháng từ công suất báo cáo của mỗi lò, dùng cơ sở dữ liệu lò phản ứng của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế.

Nhiễu nền đến từ neutrino địa cầu — phản neutrino từ phóng xạ của chính Trái Đất — từ các trùng hợp ngẫu nhiên, và từ mảnh vụn phóng xạ do các muon vũ trụ để lại. Để đo nó, nhóm tận dụng một khoảng thời gian may mắn: vào tháng 11 và tháng 12/2020, các lò chính ở vịnh Wakasa đang tắt hoặc đang dừng. Dữ liệu của hai tháng đó gần như hoàn toàn là nhiễu nền.

Phân tích bao gồm 411,52 ngày thời gian ghi dữ liệu thực, từ tháng 2/2021 đến tháng 9/2023. Một bộ phân loại học máy cùng các ngưỡng cắt về thời gian (dưới 80 micro giây) và khoảng cách (dưới 2 mét) giữa hai chớp sáng chọn ra các cặp ứng viên.

Một tín hiệu đi theo các lò phản ứng

Tần suất sự kiện hằng tháng bám theo hoạt động của các lò và khớp với dự đoán có tính đến dao động. Một thế giới không có phản neutrino từ lò phản ứng bị bác bỏ với độ tin cậy khoảng 6 sigma: lần quan sát đầu tiên phản neutrino từ lò phản ứng tại Super-Kamiokande. Bài báo không đưa ra tổng số sự kiện được chọn.

Từ phổ năng lượng, nhóm trích xuất hai tham số dao động: sin²θ₁₂ = 0,500 ± 0,155 và Δm²₂₁ = (9,08 +0,55/−0,54) × 10⁻⁵ eV².

Neutrino và phản neutrino, đặt cạnh nhau

Super-Kamiokande cũng đo neutrino từ Mặt Trời, vốn là vật chất chứ không phải phản vật chất. So sánh hai loại là một phép thử cho một đối xứng cơ bản của vật lý, gọi là CPT. Các giá trị lệch nhau khoảng 1,1 sigma với góc và 2,2 sigma với hiệu khối lượng; nhìn chung, hai bộ dữ liệu tương thích ở mức 1,9 sigma — không có dấu hiệu khác biệt có ý nghĩa thống kê. Kết hợp lại, chúng cho sin²θ₁₂ = 0,332 (+0,028/−0,026) và Δm²₂₁ = (8,94 +0,46/−0,47) × 10⁻⁵ eV².

Bản tiền ấn phẩm, đã gửi tới Physical Review Letters, có một chỗ không nhất quán: phép kiểm định tương thích được ghi là Δχ² = 7,25 trong phần chính và 7,64 trong phụ lục, cả hai đều được nêu là 1,9 sigma. Các tác giả kết luận rằng nước pha gadolini biến một bể Cherenkov khổng lồ thành một máy dò hoạt động được cho phản neutrino vài triệu electronvolt, với tiềm năng cho các phép đo trong tương lai ở dải năng lượng đó.