Hvert sekund, et eller andet sted i det observerbare univers, kollapser en massiv stjerne udløser en supernova -eksplosion. Ifølge fysikere kunne Super-Kamiokande Observatoriet i Japan nu opdage en stabil strøm af neutrinoer fra disse katastrofer samle, som kan udgøre et par opdagelser om året.

Denne små subatomære partikler er afgørende for at forstå, hvad der sker i en supernova: når de skyder ud fra stjernens kollapsende kerne og flyver gennem rummet, kan de give information om potentielt ny fysik, der kan forekomme under ekstreme forhold.

På den sidste Neutrino 2024 Konference i Milano, Italien, Masayuki Harada, en fysiker ved University of Tokyo, afslørede, at det første bevis for supernova -neutrinoer ser ud til at komme fra kaoset af partikler, som Super Kamiokande -detektoren samler hver dag fra andre kilder, såsom kosmiske stråler, der hitterer atmosfæren og nukleysfusionen i Sun. Resultatet antyder, at "vi er begyndt at observere et signal," siger Masayuki Nakahata, en fysiker ved University of Tokyo og talsmand for eksperimentet, ofte benævnt Super-K. Nakahata advarer imidlertid om, at de understøttende data - indsamlet over 956 dage med observation - stadig er meget svag.

Flygtige partikler

Neutrinoer er ekstremt undvigende. De fleste passerer gennem planeten som lys gennem glas, og Super-K fanger kun en lille brøkdel af dem, der krydser den. Stadig har detektoren en god chance for at opdage neutrinoer fra supernovaer, da universet skal oversvømmes med dem. Sammenbruddet af en stjerne frigiver enorme mængder af disse partikler (estimeret til ca. 10^58), som astrofysikere kalder den diffuse supernova -neutrino -baggrund.

Indtil videre har ingen været i stand til at bevise denne baggrund. Neutrinoer blev kun oprettet én gang Det er klart sporet tilbage til en kollapsende stjerne -Nakahata var en af ​​forskerne, der opdagede partiklerne i 1987 ved hjælp af Kamioka II-detektoren, en forgænger for Super-K. Opdagelsen var mulig, fordi supernovaen fandt sted i den store magellanske sky, en dværggalakse tæt nok til, at den eksploderende stjernes neutrinoer nåede Jorden i stort antal.

I 2018-2020 gennemgik super-K-detektoren, en tank indeholdende 50.000 ton renset vand under en kilometer sten nær Hida på den centrale ø Honshu, en enkel, men vigtig opgradering, der sigter mod at øge sin evne til at skelne supernova-neutrinoer fra andre partikler.

Når en neutrino - mere specifikt, dens antipartikel, en antineutrino - kolliderer med en proton i vand, kan denne proton omdannes til et par andre partikler, en neutron og en antielektron. Antielectron producerer en lysglimt, når den bevæger sig med høj hastighed i vandet, og dette lys fanges af sensorerne, der omgiver tankenes vægge. Denne lysblitz alene kunne ikke skelnes fra lys produceret af neutrinoer eller antineutrinos fra en række andre kilder.

Under opgraderingen tilføjede forskere et gadoliniumbaseret salt til Super-Ks vand. Dette tillader neutronen produceret, når en antineutrino påvirker det vand, der skal fanges af gadoliniumkernen, hvilket frigiver en anden, karakteristisk flash -sekvens af energi. Super-K-fysikere, der søger efter supernova-neutrinoer, ser efter en hurtig serie på to blink, den ene fra Antielectron og den anden fra den fangede neutron.

Løs kosmiske mysterier

Nakahata siger, at det vil vare flere år, før ægte supernova -signaler dukker op tydeligt, fordi dobbelt flash -signaler også kan komme fra andre neutrino -kilder, herunder dem, der er forårsaget af kosmiske stråler, der rammer atmosfæren. Men på det tidspunkt, Super-K er planlagt til at lukke i 2029, tilføjer han, skulle det have indsamlet nok data til at fremsætte et solidt krav.

EN Endnu større eksperiment kaldet Hyper-Kamiokande, forventet at være afsluttet omkring 2027, kunne massivt forbedre Super-K's resultater. Oprindeligt vil Hyper-K blive fyldt med rent vand, men "alle komponenter i detektoren er designet til at være kompatible med Gadolinium," som kunne tilføjes senere, siger Francesca Di Lodovico, en fysiker ved King's College London og co-spokesperson for projektet.

At vise, at neutrinoer fra fjerne supernovaer, der fandt sted for milliarder af år siden, stadig er til stede, ville bekræfte, at neutrinoer er stabile partikler og ikke forfalder til noget andet, siger Nakahata. Dette er noget, som fysikere har mistænkt i lang tid, men endnu ikke har været i stand til at bevise.

Måling af det fulde spektrum af supernova -neutrino -energier kunne også afsløre, hvor mange supernovaer der har fundet sted i forskellige perioder med kosmisk historie, siger Harada. Derudover kunne det afsløre, hvor mange sammenbrudte stjerner resulterede i et sort hul - hvilket ville stoppe emissionen af ​​neutrinoer - i modsætning til at efterlade en neutronstjerne.

Super-Ks data er stadig for svage til at kræve detektion, men muligheden for at detektere de diffuse neutrinoer er "ekstremt spændende," siger Ignacio Taboada, en fysiker ved Georgia Institute of Technology i Atlanta og talsmand for IceCube Neutrino Observatory ved South Pole. "Neutrinoer ville give en uafhængig måling af historien om stjernedannelse i universet."