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

Detta små subatomiska 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.

Den sista Neutrino 2024 Konferens i Milan, Italien, Masayuki Harada, en fysiker vid University of Tokyo, avslöjade att de första bevisen på supernova neutrino verkar komma från kaos av partiklar som Super Kamiokande -detektorn samlar varje dag från andra källor, till exempel kosmiska strålar som träffar atmosfären och kärnkraften i solen. Resultatet tyder på att "vi har börjat observera en signal", säger Masayuki Nakahata, en fysiker vid University of Tokyo och talesman för experimentet, ofta kallad Super-K. Nakahata varnar emellertid för att stöddata - som samlas in över 956 dagar av observation - är fortfarande mycket svag.

Flyktiga partiklar

Neutrino 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. Fortfarande har detektorn en god chans att upptäcka neutrino från Supernovae, eftersom universum bör översvämmas med dem. Kollapsen av en stjärna frigör enorma mängder av dessa partiklar (uppskattas till cirka 10^58), som astrofysiker kallar den diffusa supernova neutrino -bakgrunden.

Men hittills har ingen kunnat bevisa denna bakgrund. Neutrino skapades bara en gång Spårade tydligt 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 supernova inträffade i det stora magelliska molnet, en dvärggalax som var tillräckligt nära för att den exploderande stjärnans neutrino nådde jorden i stort antal.

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

När en neutrino - mer specifikt, 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 ljusblink när den rör sig med hög hastighet i vattnet, och detta ljus fångas av sensorerna som omger tankens väggar. Denna blixt av ljus ensam kan inte skiljas från ljus som produceras av neutrino eller antineutrino från en mängd andra källor.

Under uppgraderingen tilllade forskare ett gadoliniumbaserat salt till Super-Ks vatten. Detta tillåter neutronen som produceras när en antineutrino påverkar vattnet som kan fångas av gadoliniumkärnan, vilket släpper en andra, karakteristisk blixt av energi. Super-K-fysiker som söker efter supernova neutrino letar efter en snabb serie med två blixtar, en från antielektronen och den andra från den fångade neutronen.

Lösa kosmiska mysterier

Nakahata säger att det kommer att gå flera år innan sanna supernova -signaler dyker upp tydligt, eftersom dubbla flash -signaler också kan komma från andra neutrino -källor, 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 tillräckligt med data för att göra en solid anspråk.

En Även större experiment som heter Hyper-Kamiokande, som förväntas vara slutförd omkring 2027, kan massivt förbättra Super-K: s resultat. Ursprungligen kommer Hyper-K att fyllas med rent vatten, men "alla komponenter i detektorn är utformade för att vara kompatibla med Gadolinium", som kan läggas till senare, säger Francesca Di Lodovico, fysiker vid King's College London och co-talesman för projektet.

Att visa att neutrino från avlägsna supernovaer som inträffade för miljarder år sedan fortfarande är närvarande skulle bekräfta att neutrino är stabila partiklar och inte förfaller till något annat, säger Nakahata. Detta är något som fysiker har misstänkt länge, men ännu inte har kunnat bevisa.

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

Super-Ks data är fortfarande för svaga för att hävda upptäckt, men möjligheten att upptäcka de diffusa neutrinoerna är "extremt spännande", säger Ignacio Taboada, en fysiker vid Georgia Institute of Technology i Atlanta och talesman för ICECUBE Neutrino Observatory vid Sydpolen. "Neutrino skulle ge en oberoende mätning av historien om stjärnbildning i universum."