Детектор «Супер-Камиоканде» увидел признаки нейтрино от сверхновых

Поиск нейтрино от коллапсирующих звезд — одна из сложнейших задач астрофизики. Когда ядро звезды сжимается под действием гравитации, происходит короткий выброс нейтрино. Затем яркость стремительно нарастает, появляется сверхновая. Но не всегда ее вспышка видна. В некоторых сценариях единственный способ узнать о сверхновой — зарегистрировать поток нейтрино.

Единственный раз, когда ученым удалось получить информацию о нейтринном излучении коллапсирующей звезды, пришелся на 23 января 1987 года. Сверхновая, обозначенная позднее как SN 1987А, вспыхнула в соседней галактике Большое Магелланово Облако. Частицы зарегистрировали четыре земных детектора, в том числе «Камиоканде-II» (Kamiokande-II) в Японии, предшественник «Супер-Камиоканде» (Super-Kamiokande).

Недавно в Милане (Италия) прошла конференция «Нейтрино-2024». По сообщению журнала Nature, физики из Токийского университета доложили о том, что «Супер-Камиоканде», возможно, уже сейчас накапливает данные о нейтринном излучении сверхновых. Ученые впервые увидели намеки на это среди массы событий, которые получает детектор ежедневно из многих источников. Главным образом, это ливни от космических лучей, бомбардирующих атмосферу, и потоки из Солнца, где бушуют термоядерные реакции.

«Мы заметили сигнал», — обтекаемо выразился физик Накахата Масаюки, участвовавший и в успехе уже далекого 1987 года. В эксперименте копили данные в течение 956 дней, но их все еще недостаточно для однозначного вывода, предупредил ученый.

Мириады нейтрино ежесекундно пронзают Землю и нас с вами. Но зарегистрировать их можно, только собрав большую статистику, потому что эти субатомные частицы нейтральны и чрезвычайно слабо взаимодействуют с материей. Астрофизики считают, что нейтрино постоянно рождаются при коллапсе звезд, образуя диффузный нейтринный фон. Его регистрация — дело будущего.

«Супер-Камиоканде» построили в 2018-2020-х, увеличив объем цистерны с водой до 50 килотонн. Установка расположена на километровой глубине в цинковой шахте Камиока около японского города Хида. Чем больше детектор, тем он чувствительнее. Этого должно хватить, чтобы выделить сигнал нейтринного излучения от коллапсирующих звезд.

Стоит сказать, что детектор регистрирует нейтрино не напрямую, а как результат его взаимодействия с водой, точнее, его античастицы — антинейтрино. При ударе протон из атома водорода разделяется на нейтрон и антиэлектрон, который, летя со скоростью света в воде (не в вакууме), рождает вспышку. Свет от нее и регистрируют датчики-фотоумножители, размещенные на стенках емкости.

Чтобы отличить антинейтринную вспышку от других подобных событий, в воду детектора добавили соль гадолиния, способного к захвату нейтрона. При этом также возникает выплеск энергии. То есть физики смотрят на сигнал из двух последовательных вспышек.

По словам ученых, подтверждение регистрации нейтринного излучения от сверхновой займет несколько лет. Но к 2029 году, когда «Супер-Камиоканде» остановят, должны успеть. Тем временем уже запустят новый детектор «Гипер-Камиоканде» (Hyper-Kamiokande).

Регистрация нейтрино от сверхновых позволит лучше понять, что происходит при гравитационном коллапсе звезд. Кроме того, открытие диффузного фона от взорвавшихся миллиарды лет назад светил покажет, что нейтрино — стабильные частицы и не распадаются на что-то еще. Этот вопрос давно волнует физиков.