Физики подслушивают фоновый шум от звездных взрывов

Детектор «Супер-Камиоканде» зафиксировал первые свидетельства существования «диффузного фонового излучения нейтрино от сверхновых».

Об этом сообщает Парижский политехнический институт, участвующий в исследованиях в японской обсерватории «Супер-Камиоканде», передают OstanniPodii.com.

Значительная часть химических элементов, из которых состоит наш мир, образовалась в ядрах звёзд в результате последовательных атомных синтезов. Некоторые звёзды, масса которых более чем в восемь раз превышает массу Солнца, заканчивают свою жизнь в виде сверхновых — то есть в ходе катастрофического события, во время которого выбрасывается всё их вещество. Они оставляют после себя нейтронную звезду или чёрную дыру. Кроме того, они разбрасывают эти элементы по всей Вселенной (создавая при этом новые). Несмотря на постоянные усилия, механизмы, лежащие в основе этих взрывов, и их частота остаются в основном неизвестными.

Однако невидимые посланцы могут дать нам подсказки. На самом деле 99 % энергии этих взрывов излучается в виде нейтрино — элементарных частиц. Учитывая все сверхновые, происходящие в наблюдаемой Вселенной, должен существовать «дождь» звездных нейтрино, который можно было бы обнаружить на Земле как слабый фоновый шум.

Массивный детектор для неуловимой частицы

Это одна из целей эксперимента «Супер-Камиоканде» — гигантского подземного резервуара, заполненного 50 тысячами тонн воды (и незначительным количеством другого элемента — гадолиния), расположенного в Японии. Учёные в первую очередь ищут частицы, называемые электронными антинейтрино. Когда электронное антинейтрино попадает в воду, оно может взаимодействовать с протоном. Вероятность такого взаимодействия невелика, поэтому для увеличения шансов на наблюдение необходим большой объём. В результате реакции выделяются позитрон (идентичный электрону, но с положительным электрическим зарядом) и нейтрон. Позитрон излучает свет, проходя через воду, и аннигилирует с электроном. Нейтрон «захватывается» атомным ядром, что также сопровождается вспышками света. Множество датчиков, размещенных по всему периметру резервуара, фиксируют эти вспышки и позволяют восстановить характеристики и траекторию нейтрино.

На недавней конференции «Neutrino 2026» коллаборация «Супер-Камиоканде» объявила, что получила первые доказательства существования диффузного нейтринного фона от сверхновых, интенсивность которого, по оценкам, составляет в среднем 3,6 нейтрино в секунду на квадратный сантиметр (с погрешностью плюс-минус 1,6). «Этот результат соответствует статистической значимости 2,6-сигма (уровень достоверности примерно 99,5 процента), что ниже порога в 5-сигма, необходимого в физике элементарных частиц для признания открытия подтвержденным, но мы продолжаем наши наблюдения», — объясняет Томас Мюллер, член коллаборации «Супер-Камиоканде» из Франции.

Минимизация погрешностей

Детектор, работающий с 1996 года, собирает данные для этого конкретного анализа с 2008 года, что свидетельствует о том, что терпение и скрупулёзность чрезвычайно важны в этой передовой области. Помимо того, что нейтрино трудно обнаружить, сложность также заключается в многочисленных источниках фонового шума. Действительно, Солнце, космические лучи, проникающие в атмосферу Земли, и ядерные реакции на атомных электростанциях — всё это источники значительных количеств нейтрино. Таким образом, задача состоит в том, чтобы идентифицировать правильные характеристики сигнала (энергию, тип нейтрино и т. д.) в «Супер-Камиоканде» с целью минимизации риска ошибок.

«У нас есть возможности для совершенствования в диапазоне низких энергий, где нейтрино от сверхновых встречаются чаще, но существует порог, ниже которого их очень трудно отличить от частиц, образующихся в ядерных реакторах. Мы пытаемся снизить этот порог обнаружения», — объясняет Томас Мюллер. По его словам, эта кропотливая работа позволит через несколько лет узнать больше об эволюции Вселенной.