Elke seconde stort er ergens in het waarneembare heelal een massieve ster in veroorzaakt een supernova-explosie. Volgens natuurkundigen zou het Super-Kamiokande-observatorium in Japan nu een gestage stroom neutrino's van deze rampen kunnen detecteren verzamelen, wat zou kunnen neerkomen op enkele ontdekkingen per jaar.

Dit kleine subatomaire deeltjes zijn cruciaal om te begrijpen wat er in een supernova gebeurt: terwijl ze uit de instortende kern van de ster schieten en door de ruimte vliegen, kunnen ze informatie verschaffen over potentieel nieuwe natuurkunde die zich onder extreme omstandigheden zou kunnen voordoen.

Op de laatste Neutrino 2024 Tijdens de conferentie in Milaan, Italië, onthulde Masayuki Harada, een natuurkundige aan de Universiteit van Tokio, dat het eerste bewijs van supernova-neutrino's afkomstig lijkt te zijn van de chaos van deeltjes die de Super Kamiokande-detector elke dag uit andere bronnen verzamelt, zoals kosmische straling die de atmosfeer raakt en kernfusie in de zon. Het resultaat suggereert dat "we een signaal zijn gaan waarnemen", zegt Masayuki Nakahata, natuurkundige aan de Universiteit van Tokio en woordvoerder van het experiment, gewoonlijk Super-K genoemd. Nakahata waarschuwt echter dat de ondersteunende gegevens – verzameld over 956 observatiedagen – nog steeds erg zwak zijn.

Vluchtige deeltjes

Neutrino's zijn uiterst ongrijpbaar. De meeste gaan door de planeet als licht door glas, en Super-K vangt slechts een klein deel op van degenen die de planeet passeren. Toch heeft de detector een goede kans om neutrino’s uit supernova’s te detecteren, aangezien het heelal ermee overspoeld zou moeten worden. Bij het instorten van een ster komen enorme hoeveelheden van deze deeltjes vrij (geschat op ongeveer 10^58), die astrofysici de diffuse supernova-neutrino-achtergrond noemen.

Tot nu toe heeft niemand deze achtergrond echter kunnen bewijzen. Neutrino’s zijn maar één keer ontstaan duidelijk terug te voeren op een instortende ster – Nakahata was een van de onderzoekers die de deeltjes in 1987 ontdekte met behulp van de Kamioka II-detector, een voorloper van Super-K. De ontdekking was mogelijk omdat de supernova plaatsvond in de Grote Magelhaense Wolk, een dwergstelsel dat zo dichtbij was dat de neutrino's van de exploderende ster in grote aantallen de aarde bereikten.

In 2018-2020 onderging de Super-K-detector, een tank met 50.000 ton gezuiverd water onder een kilometer rots nabij Hida op het centrale eiland Honshu, een eenvoudige maar belangrijke upgrade, gericht op het vergroten van het vermogen om supernova-neutrino's van andere deeltjes te onderscheiden.

Wanneer een neutrino - meer specifiek zijn antideeltje, een antineutrino - in botsing komt met een proton in water, kan dat proton transformeren in een paar andere deeltjes, een neutron en een anti-elektron. Het anti-elektron produceert een lichtflits terwijl het met hoge snelheid door het water beweegt, en dit licht wordt opgevangen door de sensoren rond de wanden van de tank. Deze lichtflits alleen zou niet te onderscheiden zijn van licht geproduceerd door neutrino's of antineutrino's uit een verscheidenheid aan andere bronnen.

Tijdens de upgrade voegden wetenschappers een op gadolinium gebaseerd zout toe aan het water van Super-K. Hierdoor kan het neutron dat wordt geproduceerd wanneer een antineutrino het water raakt, worden opgevangen door de gadoliniumkern, waardoor een tweede, karakteristieke flitsreeks van energie vrijkomt. Super-K-natuurkundigen die op zoek zijn naar supernova-neutrino's, zoeken naar een snelle reeks van twee flitsen, één van het anti-elektron en de tweede van het gevangen neutron.

Los kosmische mysteries op

Nakahata zegt dat het nog enkele jaren zal duren voordat echte supernovasignalen duidelijk naar voren komen, omdat dubbele flitssignalen ook afkomstig kunnen zijn van andere neutrinobronnen, inclusief bronnen die worden veroorzaakt door kosmische straling die de atmosfeer raakt. Maar tegen de tijd dat Super-K volgens de planning in 2029 zal sluiten, zo voegt hij eraan toe, zou het voldoende gegevens moeten hebben verzameld om een ​​solide claim te kunnen maken.

A een nog groter experiment genaamd Hyper-Kamiokande, dat naar verwachting rond 2027 voltooid zal zijn, zou de resultaten van Super-K enorm kunnen verbeteren. In eerste instantie zal Hyper-K gevuld zijn met zuiver water, maar "alle componenten van de detector zijn ontworpen om compatibel te zijn met gadolinium", wat later zou kunnen worden toegevoegd, zegt Francesca Di Lodovico, natuurkundige aan King's College London en medewoordvoerder van het project.

Als we aantonen dat neutrino's van verre supernova's die miljarden jaren geleden plaatsvonden nog steeds aanwezig zijn, zou dit bevestigen dat neutrino's stabiele deeltjes zijn en niet vervallen in iets anders, zegt Nakahata. Dit is iets dat natuurkundigen al lange tijd vermoeden, maar nog niet hebben kunnen bewijzen.

Het meten van het volledige spectrum van supernova-neutrino-energieën zou ook kunnen onthullen hoeveel supernova’s er in verschillende perioden van de kosmische geschiedenis hebben plaatsgevonden, zegt Harada. Bovendien zou het kunnen onthullen hoeveel instortende sterren resulteerden in een zwart gat – dat de emissie van neutrino’s zou stoppen – in plaats van een neutronenster achter te laten.

De gegevens van Super-K zijn nog steeds te zwak om detectie te claimen, maar de mogelijkheid om de diffuse neutrino's te detecteren is "buitengewoon opwindend", zegt Ignacio Taboada, natuurkundige aan het Georgia Institute of Technology in Atlanta en woordvoerder van het IceCube Neutrino Observatory op de Zuidpool. “Neutrino’s zouden een onafhankelijke meting kunnen opleveren van de geschiedenis van stervorming in het universum.”