Minden másodpercben, valahol a megfigyelhető univerzumban, összeomlik egy hatalmas csillag szupernóva-robbanást vált ki. A fizikusok szerint a japán Super-Kamiokande obszervatórium képes észlelni az ezekből a katasztrófákból származó neutrínók folyamatos áramlását. gyűjt, ami évente néhány felfedezést jelenthet.

Ez apró szubatomi részecskék kulcsfontosságúak a szupernóvában zajló események megértéséhez: amint kilőnek a csillag összeomló magjából, és átrepülnek az űrben, információkat szolgáltathatnak az extrém körülmények között előforduló potenciálisan új fizikáról.

Az utolsón Neutrino 2024 Az olaszországi milánói konferencián Masayuki Harada, a Tokiói Egyetem fizikusa feltárta, hogy a szupernóva-neutrínók első bizonyítéka a részecskék káoszából származik, amelyeket a Super Kamiokande detektor minden nap más forrásokból gyűjt össze, például a légkört érő kozmikus sugaraktól vagy a Nap magfúziójától. Az eredmény arra utal, hogy "elkezdtünk megfigyelni egy jelet" - mondja Masayuki Nakahata, a Tokiói Egyetem fizikusa és a kísérlet szóvivője, amelyet általában Super-K-nak neveznek. Nakahata azonban arra figyelmeztet, hogy a 956 megfigyelési nap alatt gyűjtött alátámasztó adatok még mindig nagyon gyengék.

Illékony részecskék

A neutrínók rendkívül megfoghatatlanok. A legtöbb úgy halad át a bolygón, mint a fény az üvegen, és a Super-K csak egy kis töredékét rögzíti a rajta áthaladóknak. Ennek ellenére a detektor jó eséllyel észleli a szupernóvákból származó neutrínókat, mivel az univerzumot el kell árasztani velük. Egy csillag összeomlása során hatalmas mennyiségű (becslések szerint körülbelül 10^58) részecskék szabadulnak fel, amelyeket az asztrofizikusok diffúz szupernóva-neutrínó-háttérnek neveznek.

Ezt a hátteret azonban eddig senki sem tudta bizonyítani. A neutrínókat csak egyszer hozták létre egyértelműen egy összeomló csillagra vezethető vissza – Nakahata egyike volt azoknak a kutatóknak, akik 1987-ben fedezték fel a részecskéket a Kamioka II detektor segítségével, amely a Super-K elődje. A felfedezés azért volt lehetséges, mert a szupernóva a Nagy Magellán-felhőben történt, egy olyan törpegalaxisban, amely elég közel van ahhoz, hogy a felrobbanó csillag neutrínói nagy számban elérjék a Földet.

2018-2020-ban a Super-K detektor, egy 50 000 tonna tisztított vizet tartalmazó tartály egy kilométernyi szikla alatt, Hida közelében, Honshu központi szigetén, egyszerű, de fontos frissítésen ment keresztül, amelynek célja, hogy megnövelje a szupernóva-neutrínók más részecskéktől való megkülönböztetését.

Amikor egy neutrínó - pontosabban az antirészecskéje, egy antineutrínó - ütközik egy protonnal a vízben, az a proton átalakulhat más részecskepárokká, neutronná és antielektronná. Az antielektron fényvillanást kelt, miközben nagy sebességgel mozog a vízben, és ezt a fényt a tartály falait körülvevő érzékelők rögzítik. Ez a fényvillanás önmagában megkülönböztethetetlen a neutrínók vagy antineutrínók által kibocsátott fénytől, számos más forrásból.

A frissítés során a tudósok gadolínium-alapú sót adtak a Super-K vizéhez. Ez lehetővé teszi, hogy az antineutrínó vízbecsapódása során keletkező neutron a gadolínium magba kerüljön, és egy második, jellegzetes villanási energia sorozatot szabadítson fel. A szupernóva-neutrínókat kereső Szuper-K fizikusok két gyors villanássorozatot keresnek, az egyik az antielektronból, a másik pedig a csapdába esett neutronból.

Oldja meg a kozmikus rejtélyeket

Nakahata szerint több évnek kell eltelnie, amíg a valódi szupernóva-jelek egyértelműen megjelennek, mivel a kettős villanásjelek más neutrínóforrásokból is származhatnak, beleértve azokat is, amelyeket a légkört érő kozmikus sugarak okoznak. De mire a tervek szerint a Super-K 2029-re bezár, már elég adatot kellett volna gyűjtenie ahhoz, hogy megalapozott állítást tegyen.

A még nagyobb kísérlet, a Hyper-Kamiokande, amely várhatóan 2027 körül készül el, jelentősen javíthatja a Super-K eredményeit. A Hyper-K kezdetben tiszta vízzel lesz megtöltve, de "a detektor minden alkatrészét úgy tervezték, hogy kompatibilis legyen a gadolíniummal", ami később hozzáadható - mondja Francesca Di Lodovico, a londoni King's College fizikusa és a projekt szóvivője.

Nakahata szerint annak kimutatása, hogy a távoli szupernóvák neutrínói, amelyek évmilliárdokkal ezelőtt előfordultak, még mindig jelen vannak, megerősítené, hogy a neutrínók stabil részecskék, és nem bomlanak le mássá. Ezt a fizikusok már régóta gyanítják, de még nem tudták bizonyítani.

A szupernóva-neutrínó-energiák teljes spektrumának mérése azt is feltárhatja, hogy hány szupernóva fordult elő a kozmikus történelem különböző időszakaiban, mondja Harada. Ezenkívül felfedheti, hogy hány összeomló csillag eredményezett fekete lyukat – ami leállítja a neutrínók kibocsátását –, szemben azzal, hogy neutroncsillagot hagyott hátra.

A Super-K adatai még mindig túl halványak ahhoz, hogy kimutathatóak legyenek, de a diffúz neutrínók kimutatásának lehetősége "rendkívül izgalmas" - mondja Ignacio Taboada, az atlantai Georgia Institute of Technology fizikusa és a Déli-sarkon található IceCube Neutrinó Obszervatórium szóvivője. "A neutrínók független mérést adnának az univerzum csillagkeletkezésének történetéről."