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

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

På den siste Neutrino 2024 Konferanse i Milan, Italia, avslørte Masayuki Harada, fysiker ved University of Tokyo, at det første beviset på Supernova -nøytrinoer ser ut til å komme fra kaoset til partikler som Super Kamiokande -detektoren samler hver dag fra andre kilder, som kosmiske Rays som treffer atmosfæren og kjernefusjonen i solen. Resultatet antyder at "vi har begynt å observere et signal," sier Masayuki Nakahata, fysiker ved University of Tokyo og talsperson for eksperimentet, ofte referert til som Super-K. Nakahata advarer imidlertid om at støttedataene - samlet over 956 dager med observasjon - fremdeles er veldig svak.

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. Fortsatt har detektoren en god sjanse til å oppdage nøytrinoer fra supernovaer, siden universet bør oversvømmes med dem. Sammenbruddet av en stjerne frigjør enorme mengder av disse partiklene (estimert til omtrent 10^58), som astrofysikere kaller den diffuse supernova Neutrino -bakgrunnen.

Så langt har ingen imidlertid vært i stand til å bevise denne bakgrunnen. Nøytrinoer ble bare opprettet en gang tydelig sporet tilbake til en kollapsende stjerne -Nakahata var en av forskerne som oppdaget partiklene i 1987 ved bruk av Kamioka II-detektoren, en forgjenger for Super-K. Oppdagelsen var mulig fordi supernovaen skjedde i den store magellanske skyen, en dverg -galakse 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 evnen til å skille Supernova-nøytrinoer fra andre partikler.

Når en nøytrino - mer spesifikt, dens antipartikkel, en antineutrino - kolliderer med et proton i vann, kan proton forvandle seg til et par andre partikler, et nøytron og et antielektron. Antielektronet produserer et lysglimt når det beveger seg i høy hastighet i vannet, og dette lyset fanges opp av sensorene som omgir veggene i tanken. Denne lysglimten alene kan ikke skilles fra lys produsert av nøytrinoer eller antineutrinos fra en rekke andre kilder.

Under oppgraderingen la forskere til et gadoliniumbasert salt til Super-Ks vann. Dette gjør at nøytronet som produseres når en antineutrino påvirker vannet kan fanges opp av gadoliniumkjernen, og frigjør en andre, karakteristisk flash -sekvens av energi. Super-K-fysikere som søker etter Supernova-nøytrinoer, ser etter en rask serie med to blink, en fra antielektronet og den andre fra det fangede nøytronet.

Løs kosmiske mysterier

Nakahata sier at det vil gå flere år før ekte supernova -signaler dukker opp tydelig, fordi doble flash -signaler også kan komme fra andre Neutrino -kilder, inkludert de som er forårsaket av kosmiske stråler som treffer atmosfæren. Men når Super-K er planlagt å stenge innen 2029, legger han til, skal det ha samlet inn nok data til å komme med et solid krav.

EN Enda større eksperiment kalt Hyper-Kamiokande, forventet å være fullført rundt 2027, kan forbedre Super-Ks resultater massivt. Opprinnelig 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 medspillere for prosjektet.

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

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

Super-Ks data er fremdeles for svak 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 talsperson for Icecube Neutrino Observatory på Sørpolen. "Nøytrinoer ville gi en uavhengig måling av historien til stjernedannelse i universet."