日本探测器首次发现超新星中微子
超级神冈探测器。
本报讯每隔几秒钟，在宇宙的某个角落，就有一颗大质量恒星坍缩并以超新星的形式爆发。物理学家称，日本的超级神冈探测器现在可能正在从这些“大灾难”中收集稳定的中微子，其每年可以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。它们从恒星坍缩的核心中飞出并穿越太空，可以提供极端条件下潜在新物理现象的信息。
在近日于意大利米兰举行的“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。
这些噪声包括撞击大气层的宇宙射线和太阳核心的核聚变。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一个信号”。但他警告，目前在956天的观测中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，而超级神冈探测器只能捕捉到极少量穿过它的中微子。
尽管如此，该探测器仍有很大的机会捕捉到来自超新星的中微子，因为宇宙中充满了这样的粒子。恒星坍缩时释放出的中微子数量是巨大的——估计约有1058个，进而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，还没有人能够探测到这种背景。中微子只有一次被确切追溯至一颗坍缩的恒星。那是在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。
之所以获得成功，是因为当时这颗超新星位于大麦哲伦星云，这是一个矮星系，距离地球足够近，爆发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，更准确地说是它的反粒子——反中微子与水中的质子碰撞时，后者可以转化为一对其他粒子，即一个中子和一个反电子。而反电子在水中高速传播时会产生闪光，这些光能够被排列在水箱壁上的传感器捕获。不过，这种闪光可能很难与许多其他来源的中微子或反中微子产生的闪光区分开。
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能够被钆原子核捕获，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于是便可以寻找两次闪光的快速序列，一个是由反电子产生的，另一个是由被捕获的中子产生的。
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，包括撞击大气层的宇宙射线产生的中微子。当超级神冈探测器于2029年关闭时，应该能够收集足够多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的全光谱可以提供线索，表明在宇宙历史的不同时期有多少超新星爆发。此外，它还可以揭示有多少恒星坍缩形成黑洞。”
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IgnacioTaboada表示，来自超级神冈探测器的数据仍然太少，无法宣称发现了弥散中微子，但探测弥散中微子的前景“极其令人兴奋”。“中微子将为研究宇宙中恒星形成的历史提供一种独立的测量方法。”（王方）