Joka sekunti jossain havaittavassa maailmankaikkeudessa massiivinen tähti romahtaa laukaisee supernovaräjähdyksen. Fyysikkojen mukaan Japanissa sijaitseva Super-Kamiokande-observatorio pystyi nyt havaitsemaan tasaisen neutriinovirran näistä katastrofeista. kerätä, mikä voi olla muutama löytö vuodessa.

Tämä pieniä subatomisia hiukkasia ovat ratkaisevan tärkeitä supernovassa tapahtuvan ymmärtämisen kannalta: kun ne ampuvat ulos tähden romahtavasta ytimestä ja lentävät avaruuden halki, ne voivat tarjota tietoa mahdollisesti uudesta fysiikasta, jota saattaa esiintyä äärimmäisissä olosuhteissa.

Viimeisellä Neutrino 2024 Milanossa, Italiassa, pidetyssä konferenssissa Tokion yliopiston fyysikko Masayuki Harada paljasti, että ensimmäiset todisteet supernovaneutriinoista näyttävät tulevan hiukkasten kaaoksesta, jota Super Kamiokande -detektori kerää päivittäin muista lähteistä, kuten ilmakehään osuvista kosmisista säteistä ja ydinfuusion auringosta. Tulos viittaa siihen, että "olemme alkaneet tarkkailla signaalia", sanoo Masayuki Nakahata, Tokion yliopiston fyysikko ja kokeen, jota yleisesti kutsutaan Super-K:ksi, tiedottaja. Nakahata kuitenkin varoittaa, että 956 havaintopäivän aikana kerätyt tukitiedot ovat edelleen erittäin heikkoja.

Haihtuvat hiukkaset

Neutriinot ovat erittäin vaikeasti havaittavissa. Suurin osa kulkee planeetan läpi kuin valo lasin läpi, ja Super-K vangitsee vain pienen osan sen ylittäneistä. Silti ilmaisimella on hyvät mahdollisuudet havaita neutriinoja supernoveista, koska maailmankaikkeus pitäisi olla täynnä niitä. Tähden romahtaminen vapauttaa valtavia määriä näitä hiukkasia (arviolta noin 10^58), joita astrofyysikot kutsuvat diffuusi supernovan neutrinotaustaksi.

Kukaan ei ole kuitenkaan toistaiseksi pystynyt todistamaan tätä taustaa. Neutriinoja luotiin vain kerran jäljitetty selvästi romahtavaan tähteen – Nakahata oli yksi niistä tutkijoista, jotka löysivät hiukkaset vuonna 1987 käyttämällä Kamioka II -ilmaisinta, joka on Super-K:n edeltäjä. Löytö oli mahdollista, koska supernova tapahtui Suuressa Magellanin pilvessä, kääpiögalaksissa, joka on riittävän lähellä, jotta räjähtävän tähden neutriinot saavuttivat suuria määriä Maata.

Vuosina 2018-2020 Super-K-detektori, säiliö, joka sisältää 50 000 tonnia puhdistettua vettä kilometrin kiven alla lähellä Hidaa Honshun keskisaarella, koki yksinkertaisen mutta tärkeän päivityksen, jonka tarkoituksena on parantaa sen kykyä erottaa supernovaneutriinot muista hiukkasista.

Kun neutrino - tarkemmin sanottuna sen antihiukkanen, antineutrino - törmää protoniin vedessä, tämä protoni voi muuttua pariksi muita hiukkasia, neutroniksi ja antielektroniksi. Antielektroni tuottaa valon välähdyksen liikkuessaan suurella nopeudella vedessä, ja tämä valo vangitsee säiliön seiniä ympäröivät anturit. Pelkästään tätä valon välähdystä ei voida erottaa monista muista lähteistä peräisin olevien neutriinojen tai antineutriinojen tuottamasta valosta.

Päivityksen aikana tutkijat lisäsivät Super-K:n veteen gadoliinipohjaista suolaa. Tämä mahdollistaa antineutrinon osuessa veteen syntyvän neutronin vangitsemisen gadoliniumytimeen vapauttaen toisen, tyypillisen energian välähdyksen. Super-K-fyysikot, jotka etsivät supernovaneutriinoja, etsivät kahden välähdyksen nopeaa sarjaa, joista toinen lähtee antielektronista ja toinen loukkuun jääneestä neutronista.

Ratkaise kosmisia mysteereitä

Nakahata sanoo, että kestää useita vuosia ennen kuin todelliset supernovasignaalit ilmaantuvat selvästi, koska kaksoissalamasignaalit voivat tulla myös muista neutriinolähteistä, mukaan lukien ilmakehään osuvien kosmisten säteiden aiheuttamat. Mutta siihen mennessä, kun Super-K:n on määrä sulkea vuoteen 2029 mennessä, hän lisää, sen olisi pitänyt kerätä tarpeeksi tietoa vankan väitteen esittämiseksi.

A vielä suurempi kokeilu nimeltä Hyper-Kamiokande, jonka odotetaan valmistuvan noin 2027, voisi parantaa Super-K:n tuloksia huomattavasti. Aluksi Hyper-K täytetään puhtaalla vedellä, mutta "kaikki ilmaisimen komponentit on suunniteltu yhteensopiviksi gadoliniumin kanssa", joka voidaan lisätä myöhemmin, sanoo Francesca Di Lodovico, Lontoon King's Collegen fyysikko ja hankkeen tiedottaja.

Sen osoittaminen, että miljardeja vuosia sitten esiintyneistä kaukaisista supernoveista peräisin olevia neutriinoja on edelleen olemassa, vahvistaisi, että neutriinot ovat pysyviä hiukkasia eivätkä hajoa joksikin muuksi, Nakahata sanoo. Tätä fyysikot ovat epäillyt pitkään, mutta eivät ole vielä pystyneet todistamaan.

Supernovan neutriinoenergioiden täyden spektrin mittaaminen voisi myös paljastaa kuinka monta supernovaa on esiintynyt kosmisen historian eri aikoina, Harada sanoo. Lisäksi se voisi paljastaa, kuinka monta romahtanutta tähteä johti mustaan ​​aukkoon - joka pysäyttäisi neutriinopäästöt - sen sijaan, että jättäisi neutronitähden taakse.

Super-K:n tiedot ovat vielä liian heikkoja havaitsemiseksi, mutta mahdollisuus havaita hajaneutriinot on "erittäin jännittävä", sanoo Ignacio Taboada, fyysikko Georgia Institute of Technologysta Atlantassa ja IceCube Neutrino Observatoryn tiedottaja etelänavalla. "Neutriinot tarjoaisivat riippumattoman mittauksen tähtien muodostumisen historiasta universumissa."