日本地下探测器首次发现超新星中微子

科技工作者之家 07月10日

作者:王方 来源:中国科学报

每隔几秒钟,在可观测宇宙的某个地方,就有一个大质量恒星坍缩并以超新星爆炸形式释放。物理学家称,日本的超级神冈探测器现在可能正从这些“大灾难”中收集稳定的微中子,相当于每年探测到几次这样的事件。

这些微小的亚原子粒子对了解超新星内部发生的事情至关重要。因为它们从恒星坍缩的核心飞出、穿过太空,所以可以提供关于极端条件下任何潜在新物理现象的信息。

超级神冈探测器   图片来源:Takumi Harada/Yomiuri Shimbun via AP/Alamy

近日在意大利米兰举行的“中微子2024”大会上,日本东京大学物理学家原田正之透露,他们似乎从超级神冈探测器每天收集的粒子噪声中,识别出超新星中微子的第一个线索。

这些噪声来源包括撞击大气层的宇宙射线和来自太阳核心的核聚变。东京大学物理学家兼超级神冈探测器发言人中畑雅行表示,这一发现“表明我们开始观察到了某些信号”。但他警告,目前在956天的观测中所收集到的支持性数据依然非常有限。

中微子极难捕捉。大多数中微子如同光穿过玻璃般穿过地球,超级神冈探测器只能捕捉到极少部分穿过它的中微子。

尽管如此,该探测器仍有很大的机会从超新星中捕捉到中微子,因为宇宙应该充满了这些粒子。恒星坍缩时释放出的中微子数量是巨大的——估计约有1058个,产生了天体物理学家所说的弥散超新星中微子背景。

但到目前为止,还没有人探测到这种背景。中微子只有一次被确切地追溯至一颗坍缩的恒星。那是1987年,中畑雅行则是使用神冈-II探测器(超级神冈探测器的前身)发现这些粒子的研究人员之一。

这一发现之所以成功,是因为这颗超新星发生在大麦哲伦星云,这是一个矮星系,距离地球足够近,爆炸恒星的中微子可以大量到达地球。

2018年至2020年,位于日本飞驒市近郊地下的超级神冈探测器进行了一次简单但重要的升级,旨在提高其区分超新星中微子和其他粒子的能力。该探测器的容器中盛有5万吨超纯水。

当中微子,或者更准确地说是它的反粒子——反中微子与水中的质子碰撞时,该质子可以转化为一对其他粒子,即一个中子和一个反电子。反电子在水中高速传播时会产生闪光,这些光被排列在水箱墙壁上的传感器捕获。不过,这种闪光可能与许多其他来源的中微子或反中微子产生的闪光难以区分。

在升级过程中,科学家向探测器的水中添加了一种钆基盐。这使得反中微子撞击水时产生的中子被钆原子核捕获,从而释放出第二次能量闪光。寻找超新星中微子的物理学家寻找两次闪光的快速序列,一个是由反电子产生的,另一个是由中子被捕获产生的。

中畑雅行表示,真正的超新星信号仍然需要几年时间才能清晰地出现,因为双闪信号可能来自其他中微子源。但当超级神冈探测器于2029年关闭时,应该已经收集了足够的数据作出可靠的判定。

原田正之说:“测量超新星中微子能量全谱可以提供线索,说明在宇宙历史的不同时期有多少超新星爆炸。此外,它还可以揭示有多少恒星坍塌形成黑洞。”

美国佐治亚理工学院物理学家、南极冰立方中微子天文台发言人Ignacio Taboada表示,来自超级神冈探测器的数据仍然太弱,无法宣称有所发现,但探测弥散中微子的前景“极其令人兴奋”。“中微子将为宇宙中恒星形成历史提供一种独立的测量方法。”