Svake sekunde, negdje u vidljivom svemiru, kolabira masivna zvijezda izaziva eksploziju supernove. Prema fizičarima, opservatorij Super-Kamiokande u Japanu sada bi mogao detektirati stabilan tok neutrina iz ovih katastrofa prikupiti, što bi moglo značiti nekoliko otkrića godišnje.

Ovaj sitne subatomske čestice ključni su za razumijevanje onoga što se događa u supernovi: dok izlaze iz jezgre zvijezde koja se urušava i lete svemirom, mogu pružiti informacije o potencijalno novoj fizici koja bi se mogla pojaviti u ekstremnim uvjetima.

Na posljednjem Neutrino 2024 konferenciji u Milanu, Italija, Masayuki Harada, fizičar sa Sveučilišta u Tokiju, otkrio je da se čini da prvi dokazi neutrina supernove potječu iz kaosa čestica koje detektor Super Kamiokande prikuplja svaki dan iz drugih izvora, kao što su kozmičke zrake koje udaraju u atmosferu i nuklearna fuzija na Suncu. Rezultat sugerira da smo "počeli promatrati signal", kaže Masayuki Nakahata, fizičar sa Sveučilišta u Tokiju i glasnogovornik eksperimenta, koji se obično naziva Super-K. Međutim, Nakahata upozorava da su popratni podaci - prikupljeni tijekom 956 dana promatranja - još uvijek vrlo slabi.

Isparljive čestice

Neutrini su izuzetno neuhvatljivi. Većina prolazi kroz planet kao svjetlost kroz staklo, a Super-K hvata samo mali dio onih koji ga prođu. Ipak, detektor ima dobre šanse detektirati neutrine iz supernova, budući da bi svemir trebao biti preplavljen njima. Kolaps zvijezde oslobađa goleme količine tih čestica (procijenjene na oko 10^58), koje astrofizičari nazivaju difuznom pozadinom neutrina supernove.

Međutim, do sada nitko nije uspio dokazati tu pozadinu. Neutrini su stvoreni samo jednom jasno unatrag do zvijezde u kolapsu – Nakahata je bio jedan od istraživača koji je otkrio čestice 1987. pomoću detektora Kamioka II, prethodnika Super-K. Otkriće je bilo moguće jer se supernova pojavila u Velikom Magellanovom oblaku, patuljastoj galaksiji dovoljno blizu da su neutrini eksplodirajuće zvijezde dosegli Zemlju u velikom broju.

U 2018.-2020., Super-K detektor, spremnik koji sadrži 50.000 tona pročišćene vode ispod kilometra stijene u blizini Hide na središnjem otoku Honshu, prošao je jednostavnu, ali važnu nadogradnju s ciljem povećanja njegove sposobnosti razlikovanja neutrina supernove od drugih čestica.

Kada se neutrino - točnije njegova antičestica, antineutrino - sudari s protonom u vodi, taj se proton može transformirati u par drugih čestica, neutron i antielektron. Antielektron proizvodi bljesak svjetlosti dok se kreće velikom brzinom u vodi, a tu svjetlost hvataju senzori koji okružuju stijenke spremnika. Samo ovaj bljesak svjetlosti ne bi se mogao razlikovati od svjetlosti koju proizvode neutrini ili antineutrini iz raznih drugih izvora.

Tijekom nadogradnje, znanstvenici su vodi Super-K dodali sol na bazi gadolinija. To omogućuje da neutron proizveden kada antineutrino udari u vodu bude zarobljen od strane jezgre gadolinija, oslobađajući drugu, karakterističnu bljeskalicu energije. Super-K fizičari koji traže neutrine supernove traže brzi niz od dva bljeska, jedan od antielektrona, a drugi od zarobljenog neutrona.

Riješite kozmičke misterije

Nakahata kaže da će proći nekoliko godina prije nego što se pravi signali supernove jasno pojave, jer signali dvostrukog bljeska mogu također doći iz drugih izvora neutrina, uključujući one uzrokovane kozmičkim zrakama koje udaraju u atmosferu. Ali do trenutka kada se Super-K planira zatvoriti do 2029., dodaje on, trebao bi prikupiti dovoljno podataka da bi mogao dati čvrstu tvrdnju.

A još veći eksperiment nazvan Hyper-Kamiokande, za koji se očekuje da će biti dovršen oko 2027., mogao bi znatno poboljšati rezultate Super-K-a. U početku će Hyper-K biti napunjen čistom vodom, ali "sve komponente detektora dizajnirane su tako da budu kompatibilne s gadolinijem", što bi se moglo dodati kasnije, kaže Francesca Di Lodovico, fizičarka na King's Collegeu u Londonu i suglasnogovornica projekta.

Pokazivanje da su neutrini iz dalekih supernova koje su se dogodile prije nekoliko milijardi godina još uvijek prisutni potvrdilo bi da su neutrini stabilne čestice i da se ne raspadaju u nešto drugo, kaže Nakahata. To je nešto što fizičari već dugo sumnjaju, ali još nisu uspjeli dokazati.

Mjerenje punog spektra energija neutrina supernove također bi moglo otkriti koliko se supernova dogodilo u različitim razdobljima kozmičke povijesti, kaže Harada. Dodatno, moglo bi se otkriti koliko je kolapsirajućih zvijezda rezultiralo crnom rupom - koja bi zaustavila emisiju neutrina - za razliku od ostavljanja neutronske zvijezde.

Podaci Super-K-a su još uvijek preslabi da bi se tvrdilo da ih je moguće detektirati, ali mogućnost detektiranja difuznih neutrina je "izuzetno uzbudljiva", kaže Ignacio Taboada, fizičar na Institutu za tehnologiju Georgia u Atlanti i glasnogovornik Opservatorija za neutrine IceCube na Južnom polu. "Neutrini bi osigurali neovisno mjerenje povijesti stvaranja zvijezda u svemiru."