Co sekundę gdzieś w obserwowalnym wszechświecie zapada się masywna gwiazda wywołuje eksplozję supernowej. Według fizyków obserwatorium Super-Kamiokande w Japonii mogło teraz wykryć stały strumień neutrin powstałych w wyniku tych katastrof zbierać, co może oznaczać kilka odkryć rocznie.

Ten maleńkie cząstki subatomowe są kluczowe dla zrozumienia tego, co dzieje się w supernowej: wystrzeliwując z zapadającego się jądra gwiazdy i przelatując przez przestrzeń, mogą dostarczyć informacji na temat potencjalnie nowej fizyki, która może wystąpić w ekstremalnych warunkach.

Na ostatnim Neutrino 2024 konferencji w Mediolanie we Włoszech Masayuki Harada, fizyk z Uniwersytetu Tokijskiego, ujawnił, że pierwsze dowody na istnienie neutrin supernowych wydają się pochodzić z chaosu cząstek, które detektor Super Kamiokande zbiera codziennie z innych źródeł, takich jak promienie kosmiczne uderzające w atmosferę i synteza jądrowa w Słońcu. Wynik sugeruje, że „zaczęliśmy obserwować sygnał” – mówi Masayuki Nakahata, fizyk z Uniwersytetu Tokijskiego i rzecznik eksperymentu, powszechnie określanego jako Super-K. Jednak Nakahata ostrzega, że ​​dane uzupełniające – zebrane w ciągu 956 dni obserwacji – są nadal bardzo słabe.

Lotne cząstki

Neutrina są niezwykle nieuchwytne. Większość przechodzi przez planetę jak światło przez szkło, a Super-K wychwytuje tylko niewielki ułamek tych, które ją przelatują. Mimo to detektor ma duże szanse na wykrycie neutrin z supernowych, ponieważ Wszechświat powinien zostać nimi zalany. Zapadnięcie się gwiazdy uwalnia ogromne ilości tych cząstek (szacowane na około 10^58), które astrofizycy nazywają rozproszonym tłem neutrin supernowych.

Jednak jak dotąd nikt nie był w stanie udowodnić tego tła. Neutrina powstały tylko raz wyraźnie powiązany z zapadającą się gwiazdą – Nakahata był jednym z badaczy, którzy odkryli cząstki w 1987 roku za pomocą detektora Kamioka II, poprzednika Super-K. Odkrycie było możliwe, ponieważ supernowa pojawiła się w Wielkim Obłoku Magellana, galaktyce karłowatej na tyle blisko, że neutrina eksplodującej gwiazdy dotarły do ​​Ziemi w dużych ilościach.

W latach 2018–2020 detektor Super-K – zbiornik zawierający 50 000 ton oczyszczonej wody pod kilometrową skałą w pobliżu Hida na centralnej wyspie Honsiu, przeszedł prostą, ale ważną modernizację mającą na celu zwiększenie jego zdolności do odróżniania neutrin supernowych od innych cząstek.

Kiedy neutrino, a dokładniej jego antycząstka, antyneutrino, zderza się z protonem w wodzie, proton ten może przekształcić się w parę innych cząstek, neutron i antyelektron. Poruszając się z dużą prędkością w wodzie, antyelektron wytwarza błysk światła, który jest wychwytywany przez czujniki otaczające ścianki zbiornika. Sam ten błysk światła może być nie do odróżnienia od światła wytwarzanego przez neutrina lub antyneutrina z wielu innych źródeł.

Podczas modernizacji naukowcy dodali do wody Super-K sól na bazie gadolinu. Dzięki temu neutron powstający, gdy antyneutrino uderza w wodę, zostaje wychwycony przez jądro gadolinu, uwalniając drugą, charakterystyczną sekwencję błysków energii. Fizycy super-K poszukujący neutrin supernowych szukają szybkiej serii dwóch błysków, jednego pochodzącego od antyelektronu, a drugiego od uwięzionego neutronu.

Rozwiązuj kosmiczne tajemnice

Nakahata twierdzi, że minie kilka lat, zanim pojawią się wyraźne sygnały prawdziwych supernowych, ponieważ sygnały podwójnego błysku mogą pochodzić również z innych źródeł neutrin, w tym tych powodowanych przez promienie kosmiczne uderzające w atmosferę. Dodaje jednak, że zanim Super-K ma zostać zamknięty do 2029 r., powinien zebrać wystarczającą ilość danych, aby wyciągnąć solidne wnioski.

A jeszcze większy eksperyment zwany Hyper-Kamiokande, którego zakończenie przewidywane jest około 2027 r., może znacznie poprawić wyniki Super-K. Początkowo Hyper-K będzie napełniony czystą wodą, ale „wszystkie elementy detektora są zaprojektowane tak, aby były kompatybilne z gadolinem”, który może zostać dodany później, mówi Francesca Di Lodovico, fizyk z King's College w Londynie i współrzeczniczka projektu.

Wykazanie, że neutrina z odległych supernowych, które miały miejsce miliardy lat temu, są nadal obecne, potwierdziłoby, że neutrina są cząstkami stabilnymi i nie rozpadają się na coś innego, mówi Nakahata. Jest to coś, co fizycy podejrzewali od dawna, ale jak dotąd nie byli w stanie tego udowodnić.

Pomiar pełnego spektrum energii neutrin supernowych mógłby również ujawnić, ile supernowych miało miejsce w różnych okresach historii kosmosu, mówi Harada. Dodatkowo może ujawnić, ile zapadających się gwiazd doprowadziło do powstania czarnej dziury – co powstrzymałoby emisję neutrin – zamiast pozostawiać gwiazdę neutronową.

Dane Super-K są wciąż zbyt słabe, aby twierdzić, że zostały wykryte, ale możliwość wykrycia neutrin rozproszonych jest „niezwykle ekscytująca” – mówi Ignacio Taboada, fizyk z Georgia Institute of Technology w Atlancie i rzecznik IceCube Neutrino Observatory na biegunie południowym. „Neutrina zapewniłyby niezależny pomiar historii powstawania gwiazd we wszechświecie”.