Hvert sekund, et sted i det observerbare universet, kollapser en massiv stjerne utløser en supernovaeksplosjon. I følge fysikere kunne Super-Kamiokande-observatoriet i Japan nå oppdage en jevn strøm av nøytrinoer fra disse katastrofene samle, som kan utgjøre noen få funn per år.

Dette små subatomære partikler er avgjørende for å forstå hva som skjer i en supernova: når de skyter ut fra stjernens kollapsende kjerne og flyr gjennom verdensrommet, kan de gi informasjon om potensielt ny fysikk som kan oppstå under ekstreme forhold.

På den siste Neutrino 2024 konferansen i Milano, Italia, avslørte Masayuki Harada, en fysiker ved University of Tokyo, at det første beviset på supernovanøytrinoer ser ut til å komme fra kaoset av partikler som Super Kamiokande-detektoren samler inn hver dag fra andre kilder, som kosmiske stråler som treffer atmosfæren og kjernefysisk fusjon i solen. Resultatet tyder på at "vi har begynt å observere et signal," sier Masayuki Nakahata, fysiker ved University of Tokyo og talsmann for eksperimentet, ofte referert til som Super-K. Nakahata advarer imidlertid om at støttedataene – samlet inn over 956 dagers observasjon – fortsatt er svært svake.

Flyktige partikler

Nøytrinoer er ekstremt unnvikende. De fleste passerer gjennom planeten som lys gjennom glass, og Super-K fanger bare en liten brøkdel av de som krysser den. Likevel har detektoren gode muligheter til å oppdage nøytrinoer fra supernovaer, siden universet burde oversvømmes med dem. Sammenbruddet av en stjerne frigjør enorme mengder av disse partiklene (estimert til omtrent 10^58), som astrofysikere kaller den diffuse supernovanøytrinobakgrunnen.

Men så langt har ingen kunnet bevise denne bakgrunnen. Nøytrinoer ble bare skapt én gang tydelig spores tilbake til en kollapsende stjerne – Nakahata var en av forskerne som oppdaget partiklene i 1987 ved hjelp av Kamioka II-detektoren, en forgjenger til Super-K. Oppdagelsen var mulig fordi supernovaen fant sted i den store magellanske skyen, en dverggalakse nær nok til at den eksploderende stjernens nøytrinoer nådde jorden i stort antall.

I 2018-2020 gjennomgikk Super-K-detektoren, en tank som inneholder 50 000 tonn renset vann under en kilometer stein nær Hida på den sentrale øya Honshu, en enkel, men viktig oppgradering med sikte på å øke dens evne til å skille supernovanøytrinoer fra andre partikler.

Når en nøytrino - mer spesifikt dens antipartikkel, en antinøytrino - kolliderer med et proton i vann, kan det protonet forvandles til et par andre partikler, et nøytron og et antielektron. Antielektronet produserer et lysglimt mens det beveger seg i høy hastighet i vannet, og dette lyset fanges opp av sensorene som omgir tankens vegger. Dette lysglimt alene kan ikke skilles fra lys produsert av nøytrinoer eller antinøytrinoer fra en rekke andre kilder.

Under oppgraderingen la forskerne et gadoliniumbasert salt til Super-Ks vann. This allows the neutron produced when an antineutrino impacts the water to be captured by the gadolinium nucleus, releasing a second, characteristic flash sequence of energy. Super-K physicists searching for supernova neutrinos look for a rapid series of two flashes, one from the antielectron and the second from the trapped neutron.

Kosmische Mysterien lösen

Nakahata sier at det vil ta flere år før ekte supernovasignaler kommer tydelig frem, fordi doble blinksignaler også kan komme fra andre nøytrinokilder, inkludert de som er forårsaket av kosmiske stråler som treffer atmosfæren. Men når Super-K etter planen skal stenge innen 2029, legger han til, burde den ha samlet inn nok data til å komme med et solid krav.

EN enda større eksperiment kalt Hyper-Kamiokande, som forventes ferdigstilt rundt 2027, kan forbedre Super-Ks resultater betydelig. I utgangspunktet vil Hyper-K fylles med rent vann, men «alle komponenter i detektoren er designet for å være kompatible med gadolinium», som kan legges til senere, sier Francesca Di Lodovico, fysiker ved King's College London og medtalsperson for prosjektet.

Å vise at nøytrinoer fra fjerne supernovaer som oppsto for milliarder av år siden fortsatt er til stede, vil bekrefte at nøytrinoer er stabile partikler og ikke forfaller til noe annet, sier Nakahata. Dette er noe fysikere har mistenkt lenge, men ennå ikke har klart å bevise.

Å måle hele spekteret av supernova-nøytrinoenergier kan også avsløre hvor mange supernovaer som har oppstått i forskjellige perioder av kosmisk historie, sier Harada. I tillegg kan det avsløre hvor mange kollapsende stjerner som resulterte i et sort hull - som ville stoppe utslippet av nøytrinoer - i motsetning til å etterlate en nøytronstjerne.

Super-Ks data er fortsatt for svake til å kreve deteksjon, men muligheten for å oppdage de diffuse nøytrinoene er «ekstremt spennende», sier Ignacio Taboada, fysiker ved Georgia Institute of Technology i Atlanta og talsmann for IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen. "Neutrinoer ville gi en uavhengig måling av historien til stjernedannelse i universet."