日本地下探測器首次發現超新星中微子

每隔幾秒鐘，在可觀測宇宙的某個地方，就有一個大質量恒星坍縮并以超新星爆炸形式釋放。物理學家稱，日本的超級神岡探測器現在可能正從這些“大災難”中收集穩定的微中子，相當于每年探測到幾次這樣的事件。

這些微小的亞原子粒子對了解超新星內部發生的事情至關重要。因為它們從恒星坍縮的核心飛出、穿過太空，所以可以提供關于極端條件下任何潛在新物理現象的信息。

超級神岡探測器圖片來源：Takumi Harada/Yomiuri Shimbun via AP/Alamy

近日在意大利米蘭舉行的“中微子2024”大會上，日本東京大學物理學家原田正之透露，他們似乎從超級神岡探測器每天收集的粒子噪聲中，識別出超新星中微子的第一個線索。

這些噪聲來源包括撞擊大氣層的宇宙射線和來自太陽核心的核聚變。東京大學物理學家兼超級神岡探測器發言人中畑雅行表示，這一發現“表明我們開始觀察到了某些信號”。但他警告，目前在956天的觀測中所收集到的支持性數據依然非常有限。

中微子極難捕捉。大多數中微子如同光穿過玻璃般穿過地球，超級神岡探測器只能捕捉到極少部分穿過它的中微子。

盡管如此，該探測器仍有很大的機會從超新星中捕捉到中微子，因為宇宙應該充滿了這些粒子。恒星坍縮時釋放出的中微子數量是巨大的——估計約有10⁵⁸個，產生了天體物理學家所說的彌散超新星中微子背景。

但到目前為止，還沒有人探測到這種背景。中微子只有一次被確切地追溯至一顆坍縮的恒星。那是1987年，中畑雅行則是使用神岡-II探測器（超級神岡探測器的前身）發現這些粒子的研究人員之一。

這一發現之所以成功，是因為這顆超新星發生在大麥哲倫星云，這是一個矮星系，距離地球足夠近，爆炸恒星的中微子可以大量到達地球。

2018年至2020年，位于日本飛驒市近郊地下的超級神岡探測器進行了一次簡單但重要的升級，旨在提高其區分超新星中微子和其他粒子的能力。該探測器的容器中盛有5萬噸超純水。

當中微子，或者更準確地說是它的反粒子——反中微子與水中的質子碰撞時，該質子可以轉化為一對其他粒子，即一個中子和一個反電子。反電子在水中高速傳播時會產生閃光，這些光被排列在水箱墻壁上的傳感器捕獲。不過，這種閃光可能與許多其他來源的中微子或反中微子產生的閃光難以區分。

在升級過程中，科學家向探測器的水中添加了一種釓基鹽。這使得反中微子撞擊水時產生的中子被釓原子核捕獲，從而釋放出第二次能量閃光。尋找超新星中微子的物理學家尋找兩次閃光的快速序列，一個是由反電子產生的，另一個是由中子被捕獲產生的。

中畑雅行表示，真正的超新星信號仍然需要幾年時間才能清晰地出現，因為雙閃信號可能來自其他中微子源。但當超級神岡探測器于2029年關閉時，應該已經收集了足夠的數據作出可靠的判定。

原田正之說：“測量超新星中微子能量全譜可以提供線索，說明在宇宙歷史的不同時期有多少超新星爆炸。此外，它還可以揭示有多少恒星坍塌形成黑洞。”

美國佐治亞理工學院物理學家、南極冰立方中微子天文臺發言人Ignacio Taboada表示，來自超級神岡探測器的數據仍然太弱，無法宣稱有所發現，但探測彌散中微子的前景“極其令人興奮”。“中微子將為宇宙中恒星形成歷史提供一種獨立的測量方法。”