Фізики підслуховують фоновий шум від зоряних вибухів

Детектор «Супер-Каміоканде» зафіксував перші свідчення існування «дифузного фонового випромінювання нейтрино від наднових».

Про це повідомляє Паризький політехнічний інститут, який бере участь у дослідженнях в японській обсерваторії «Супер-Каміоканде», передають OstanniPodii.com.

Значна частина хімічних елементів, з яких складається наш світ, утворилася в ядрах зірок у результаті послідовних атомних синтезів. Деякі зорі, маса яких у понад вісім разів перевищує масу Сонця, завершують своє життя як наднові — тобто в катастрофічній події, під час якої викидається вся їхня речовина. Вони залишають після себе нейтронну зорю або чорну діру. Крім того, вони розкидають ці елементи по всьому Всесвіту (створюючи при цьому нові). Попри постійні зусилля, механізми, що лежать в основі цих вибухів, та їхня частота залишаються здебільшого невідомими.

Проте невидимі посланці можуть дати нам підказки. Насправді 99 % енергії цих вибухів випромінюється у вигляді нейтрино — елементарних частинок. З огляду на всі наднові, що відбуваються у спостережуваному Всесвіті, має існувати «дощ» зоряних нейтрино, який можна було б виявити на Землі як слабкий фоновий шум.

Масивний детектор для невловної частинки

Це одна з цілей експерименту «Супер-Каміоканде» — гігантського підземного резервуара, заповненого 50 тисячами тонн води (та незначною кількістю іншого елемента — гадолінію), розташованого в Японії. Вчені насамперед шукають частинки, які називаються електронними антинейтрино. Коли електронне антинейтрино потрапляє у воду, воно може взаємодіяти з протоном. Імовірність такої взаємодії є низькою, тому для збільшення шансів на спостереження необхідний великий об’єм. У результаті реакції виділяються позитрон (ідентичний електрону, але з позитивним електричним зарядом) та нейтрон. Позитрон випромінює світло, проходячи крізь воду, та анігілює з електроном. Нейтрон «захоплюється» атомним ядром, що також супроводжується спалахами світла. Безліч датчиків, розміщених по всьому периметру резервуара, фіксують ці спалахи та дають змогу відтворити характеристики та траєкторію нейтрино.

На нещодавній конференції «Neutrino 2026» колаборація «Супер-Каміоканде» оголосила, що отримала перші докази існування дифузного фону нейтрино від наднових, інтенсивність якого, за оцінками, становить у середньому 3,6 нейтрино на секунду на квадратний сантиметр (з похибкою плюс-мінус 1,6). «Цей результат відповідає статистичній значущості 2,6-сигма (рівень правдивості приблизно 99,5 відсотка), що нижче за поріг у 5-сигма, необхідний у фізиці елементарних частинок для визнання відкриття підтвердженим, але ми продовжуємо наші спостереження», — пояснює Томас Мюллер, член колаборації «Супер-Каміоканде» з Франції.

Мінімізація похибок

Детектор, який працює з 1996 року, збирає дані для цього конкретного аналізу з 2008 року, що свідчить про те, що терпіння та скрупульозність є надзвичайно важливими в цій передовій галузі. Окрім того, що нейтрино важко виявити, складність також полягає в численних джерелах фонового шуму. Дійсно, Сонце, космічні промені, що проникають в атмосферу Землі, та ядерні реакції на атомних електростанціях — все це джерела значних кількостей нейтрино. Отже, завдання полягає в тому, щоб ідентифікувати правильні характеристики сигналу (енергію, тип нейтрино тощо) в «Супер-Каміоканде» з метою мінімізації ризику помилок.

«У нас є можливості для вдосконалення в діапазоні низьких енергій, де нейтрино від наднових зустрічаються частіше, але існує поріг, нижче якого їх дуже важко відрізнити від частинок, що утворюються в ядерних реакторах. Ми намагаємося знизити цей поріг виявлення», — пояснює Томас Мюллер. За його словами, ця точна робота дозволить за кілька років дізнатися більше про еволюцію Всесвіту.