Varje sekund, någonstans i det observerbara universum, kollapsar en massiv stjärna utlöser en supernovaexplosion. Enligt fysiker kunde Super-Kamiokande-observatoriet i Japan nu upptäcka en stadig ström av neutriner från dessa katastrofer samla, vilket kan uppgå till några få upptäckter per år.

Detta små subatomära partiklar är avgörande för att förstå vad som händer i en supernova: när de skjuter ut från stjärnans kollapsande kärna och flyger genom rymden, kan de ge information om potentiellt ny fysik som kan uppstå under extrema förhållanden.

På den sista Neutrino 2024 konferensen i Milano, Italien, avslöjade Masayuki Harada, fysiker vid University of Tokyo, att de första bevisen på supernova-neutriner verkar komma från kaoset av partiklar som Super Kamiokande-detektorn samlar in varje dag från andra källor, såsom kosmiska strålar som träffar atmosfären och kärnfusion i solen. Resultatet tyder på att "vi har börjat observera en signal", säger Masayuki Nakahata, fysiker vid University of Tokyo och talesman för experimentet, vanligtvis kallad Super-K. Nakahata varnar dock för att underlaget – som samlats in under 956 dagars observation – fortfarande är mycket svagt.

Flyktiga partiklar

Neutrinos är extremt svårfångade. De flesta passerar genom planeten som ljus genom glas, och Super-K fångar bara en liten bråkdel av dem som korsar den. Ändå har detektorn goda möjligheter att upptäcka neutriner från supernovor, eftersom universum borde översvämmas av dem. Kollapsen av en stjärna frigör enorma mängder av dessa partiklar (uppskattat till cirka 10^58), som astrofysiker kallar den diffusa supernova-neutrinobakgrunden.

Ingen har dock hittills kunnat bevisa denna bakgrund. Neutrinos skapades bara en gång tydligt spåras tillbaka till en kollapsande stjärna – Nakahata var en av forskarna som upptäckte partiklarna 1987 med Kamioka II-detektorn, en föregångare till Super-K. Upptäckten var möjlig eftersom supernovan inträffade i det stora magellanska molnet, en dvärggalax nära nog att den exploderande stjärnans neutriner nådde jorden i stort antal.

Under 2018-2020 genomgick Super-K-detektorn, en tank som innehåller 50 000 ton renat vatten under en kilometer sten nära Hida på centralön Honshu, en enkel men viktig uppgradering som syftar till att öka dess förmåga att särskilja supernova-neutriner från andra partiklar.

När en neutrino - närmare bestämt dess antipartikel, en antineutrino - kolliderar med en proton i vatten, kan den protonen förvandlas till ett par andra partiklar, en neutron och en antielektron. Antielektronen producerar en ljusblixt medan den rör sig i hög hastighet i vattnet, och detta ljus fångas upp av sensorerna som omger tankens väggar. Enbart denna ljusblixt skulle kunna vara omöjlig att skilja från ljus som produceras av neutriner eller antineutriner från en mängd andra källor.

Under uppgraderingen lade forskare till ett gadoliniumbaserat salt till Super-Ks vatten. Detta gör att neutronen som produceras när en antineutrino påverkar vattnet kan fångas upp av gadoliniumkärnan, vilket frigör en andra, karakteristisk blixtsekvens av energi. Super-K-fysiker som söker efter supernova-neutriner letar efter en snabb serie med två blixtar, en från antielektronen och den andra från den fångade neutronen.

Lös kosmiska mysterier

Nakahata säger att det kommer att ta flera år innan riktiga supernovasignaler kommer fram tydligt, eftersom dubbla blixtsignaler också kan komma från andra neutrinokällor, inklusive de som orsakas av kosmiska strålar som träffar atmosfären. Men när Super-K är planerad att stänga 2029, tillägger han, borde det ha samlat in tillräckligt med data för att göra ett solidt påstående.

A ännu större experiment som kallas Hyper-Kamiokande, som förväntas vara färdig runt 2027, skulle kunna förbättra Super-Ks resultat avsevärt. Till en början kommer Hyper-K att fyllas med rent vatten, men "alla komponenter i detektorn är designade för att vara kompatibla med gadolinium", vilket kan läggas till senare, säger Francesca Di Lodovico, fysiker vid King's College London och medtalesman för projektet.

Att visa att neutriner från avlägsna supernovor som inträffade för miljarder år sedan fortfarande finns kvar skulle bekräfta att neutriner är stabila partiklar och inte sönderfaller till något annat, säger Nakahata. Detta är något som fysiker har misstänkt länge, men ännu inte kunnat bevisa.

Att mäta hela spektrumet av supernova-neutrinoenergier kan också avslöja hur många supernovor som har inträffat under olika perioder av kosmisk historia, säger Harada. Dessutom kan det avslöja hur många kollapsande stjärnor som resulterade i ett svart hål - vilket skulle stoppa utsläppet av neutriner - i motsats till att lämna en neutronstjärna bakom sig.

Super-K:s data är fortfarande för svag för att göra anspråk på upptäckt, men möjligheten att upptäcka de diffusa neutrinerna är "extremt spännande", säger Ignacio Taboada, fysiker vid Georgia Institute of Technology i Atlanta och talesman för IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen. "Neutrinos skulle ge en oberoende mätning av historien om stjärnbildning i universum."