في كل ثانية، في مكان ما في الكون المرئي، ينهار نجم ضخم يؤدي إلى انفجار سوبر نوفا. ووفقا لعلماء الفيزياء، يستطيع مرصد سوبر كاميوكاندي في اليابان الآن اكتشاف تدفق مستمر من النيوترينوات الناتجة عن هذه الكوارث يجمع ، والتي يمكن أن تصل إلى عدد قليل من الاكتشافات في السنة.

هذا جزيئات دون ذرية صغيرة تعتبر ضرورية لفهم ما يحدث في المستعر الأعظم: فعندما تنطلق من قلب النجم المنهار وتطير عبر الفضاء، يمكنها تقديم معلومات حول فيزياء جديدة محتملة قد تحدث في ظل ظروف قاسية.

على الأخير النيوترينو 2024 كشف ماسايوكي هارادا، عالم الفيزياء في جامعة طوكيو، في مؤتمر عُقد في ميلانو بإيطاليا، أن أول دليل على وجود نيوترينوات المستعر الأعظم يبدو أنه يأتي من فوضى الجسيمات التي يجمعها كاشف سوبر كاميوكاندي يوميًا من مصادر أخرى، مثل الأشعة الكونية التي تضرب الغلاف الجوي والاندماج النووي في الشمس. تشير النتيجة إلى أننا "بدأنا برصد إشارة ما"، كما يقول ماسايوكي ناكاهاتا، عالم الفيزياء في جامعة طوكيو والمتحدث باسم التجربة، التي يشار إليها عادةً باسم Super-K. ومع ذلك، يحذر ناكاهاتا من أن البيانات الداعمة - التي تم جمعها على مدار 956 يومًا من المراقبة - لا تزال ضعيفة للغاية.

الجسيمات المتطايرة

النيوترينوات بعيدة المنال للغاية. يمر معظمها عبر الكوكب مثل الضوء عبر الزجاج، ولا يلتقط Super-K سوى جزء صغير من تلك التي تعبره. ومع ذلك، فإن لدى الكاشف فرصة جيدة لاكتشاف النيوترينوات الصادرة عن المستعرات الأعظم، حيث من المفترض أن يمتلئ الكون بها. يؤدي انهيار النجم إلى إطلاق كميات هائلة من هذه الجسيمات (تقدر بحوالي 10^58)، والتي يطلق عليها علماء الفيزياء الفلكية اسم المستعر الأعظم النيوترينو المنتشر.

ومع ذلك، لم يتمكن أحد حتى الآن من إثبات هذه الخلفية. تم إنشاء النيوترينوات مرة واحدة فقط من الواضح أنها تعود إلى نجم منهار - كان ناكاهاتا أحد الباحثين الذين اكتشفوا الجسيمات في عام 1987 باستخدام كاشف Kamioka II، وهو سلف Super-K. كان هذا الاكتشاف ممكنًا لأن المستعر الأعظم حدث في سحابة ماجلان الكبرى، وهي مجرة ​​قزمة قريبة بدرجة كافية بحيث وصلت نيوترينوات النجم المنفجر إلى الأرض بأعداد كبيرة.

وفي عامي 2018-2020، خضع كاشف Super-K، وهو خزان يحتوي على 50 ألف طن من الماء النقي تحت كيلومتر واحد من الصخور بالقرب من هيدا في جزيرة هونشو الوسطى، لترقية بسيطة ولكنها مهمة تهدف إلى زيادة قدرته على التمييز بين نيوترينوات المستعر الأعظم من الجسيمات الأخرى.

عندما يصطدم النيوترينو - وبشكل أكثر تحديدًا جسيمه المضاد، النيوترينو المضاد - ببروتون في الماء، يمكن أن يتحول هذا البروتون إلى زوج من الجسيمات الأخرى، نيوترون وإلكترون مضاد. وينتج الإلكترون المضاد وميضًا من الضوء أثناء تحركه بسرعة عالية في الماء، ويتم التقاط هذا الضوء بواسطة أجهزة الاستشعار المحيطة بجدران الخزان. لا يمكن تمييز وميض الضوء هذا وحده عن الضوء الناتج عن النيوترينوات أو النيوترينوات المضادة من مجموعة متنوعة من المصادر الأخرى.

أثناء الترقية، أضاف العلماء ملحًا يحتوي على الجادولينيوم إلى مياه Super-K. يسمح هذا للنيوترون الذي يتم إنتاجه عندما يصطدم مضاد النيوترينو بالماء أن يتم التقاطه بواسطة نواة الجادولينيوم، مما يؤدي إلى إطلاق تسلسل فلاشي مميز ثانٍ من الطاقة. يبحث فيزيائيو Super-K الذين يبحثون عن نيوترينوات المستعر الأعظم عن سلسلة سريعة من ومضتين، واحدة من الإلكترون المضاد والثانية من النيوترون المحصور.

حل الألغاز الكونية

يقول ناكاهاتا إن الأمر سيستغرق عدة سنوات قبل ظهور إشارات المستعر الأعظم الحقيقية بوضوح، لأن إشارات الوميض المزدوجة يمكن أن تأتي أيضًا من مصادر نيوترينو أخرى، بما في ذلك تلك الناتجة عن الأشعة الكونية التي تضرب الغلاف الجوي. ويضيف أنه بحلول الوقت المقرر لإغلاق Super-K بحلول عام 2029، كان من المفترض أن تكون قد جمعت بيانات كافية لتقديم ادعاء قوي.

أ تجربة أكبر تسمى Hyper-Kamiokande ، من المتوقع أن يكتمل حوالي عام 2027، يمكن أن يحسن نتائج Super-K بشكل كبير. في البداية، سيتم ملء Hyper-K بالمياه النقية، ولكن "جميع مكونات الكاشف مصممة لتكون متوافقة مع الجادولينيوم"، والذي يمكن إضافته لاحقًا، كما تقول فرانشيسكا دي لودوفيكو، عالمة الفيزياء في جامعة كينجز كوليدج في لندن والمتحدثة المشاركة باسم المشروع.

يقول ناكاهاتا إن إثبات أن النيوترينوات الصادرة عن المستعرات الأعظمية البعيدة التي حدثت منذ مليارات السنين لا تزال موجودة، سيؤكد أن النيوترينوات هي جسيمات مستقرة ولا تتحلل إلى شيء آخر. وهذا أمر شكك فيه الفيزيائيون لفترة طويلة، لكنهم لم يتمكنوا من إثباته بعد.

يقول هارادا إن قياس الطيف الكامل لطاقات المستعرات الأعظم والنيوترينو يمكن أن يكشف أيضًا عن عدد المستعرات الأعظم التي حدثت في فترات مختلفة من التاريخ الكوني. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكشف عن عدد النجوم المنهارة التي أدت إلى ثقب أسود - الأمر الذي من شأنه أن يوقف انبعاث النيوترينوات - بدلاً من ترك نجم نيوتروني خلفه.

لا تزال بيانات Super-K باهتة جدًا بحيث لا يمكن ادعاء اكتشافها، لكن إمكانية اكتشاف النيوترينوات المنتشرة "مثيرة للغاية"، كما يقول إجناسيو تابوادا، الفيزيائي في معهد جورجيا للتكنولوجيا في أتلانتا والمتحدث باسم مرصد آيس كيوب نيوترينو في القطب الجنوبي. "ستوفر النيوترينوات قياسًا مستقلاً لتاريخ تكوين النجوم في الكون."