Under Ikeno-berget, Japan, i en gammal gruva som sitter tusentals meter (3 300 fot) under ytan, ligger Super-Kamiokande Observatory (SKO). Sedan 1996, när det började göra observationer, har forskare använt den här anläggningens Cherenkov-detektor för att leta efter tecken på protonförfall och neutrino i vår galax. Detta är ingen lätt uppgift, eftersom neutrino är mycket svårt att upptäcka.
Men tack vare ett nytt datasystem som kommer att kunna övervaka neutrino i realtid kommer forskarna vid SKO att kunna undersöka dessa mysteriumpartiklar närmare. På så sätt hoppas de kunna förstå hur stjärnor bildas och så småningom kollapsar i svarta hål, och smyger en topp på hur materien skapades i det tidiga universum.
Neutrino, helt enkelt, är en av de grundläggande partiklarna som utgör universum. Jämfört med andra grundläggande partiklar har de mycket liten massa, utan laddning och interagerar endast med andra typer av partiklar via den svaga kärnkraften och tyngdkraften. De skapas på flera sätt, framför allt genom radioaktivt förfall, kärnreaktionerna som driver en stjärna och i supernovaer.
I enlighet med den vanliga Big Bang-modellen är de neutrino som finns kvar från skapandet av universum de mest överflödiga partiklarna som finns. Vid varje givet ögonblick antas biljoner av dessa partiklar röra sig runt oss och genom oss. Men på grund av hur de interagerar med materien (dvs endast svagt) är de extremt svåra att upptäcka.
Av denna anledning byggs neutrinoobservatorier djupt under jord för att undvika störningar från kosmiska strålar. De förlitar sig också på Cherenkov-detektorer, som i huvudsak är massiva vattentankar som har tusentals sensorer som fodrar sina väggar. Dessa försöker detektera partiklar när de bromsas ner till den lokala ljushastigheten (dvs ljusets hastighet i vatten), vilket framgår av närvaron av en glöd - känd som Cherenkov-strålning.
Detektorn vid SKO är för närvarande den största i världen. Den består av en cylindrisk rostfritt stålbehållare som är 41,4 m (136 ft) hög och 39,3 m (129 ft) i diameter, och har över 45 000 ton (50 000 amerikanska ton) ultrat rent vatten. I det inre är 11 146 fotomultiplikatorrör monterade, som detekterar ljus i det ultravioletta, synliga och nära-infraröda området i det elektromagnetiska spektrumet med extrem känslighet.
I flera år har forskare vid SKO använt anläggningen för att undersöka solneutrinoer, atmosfäriska neutrinoer och konstgjorda neutrinoer. De som skapas av supernovor är emellertid mycket svåra att upptäcka, eftersom de verkar plötsligt och svåra att skilja från andra slag. Med det nyligen tillagda datorsystemet hoppas dock Super Komiokande-forskarna att det kommer att förändras.
Som Luis Labarga, en fysiker vid det autonoma universitetet i Madrid (Spanien) och en medlem av samarbetet, förklarade i ett nyligen uttalande till Scientific News Service (SINC):
”Supernova-explosioner är ett av de mest energiska fenomenen i universum och det mesta av denna energi frigörs i form av neutrino. Det är därför detektering och analys av neutrinoer som släpps ut i dessa fall, utom de från solen eller andra källor, är mycket viktigt för att förstå mekanismerna i bildandet av neutronstjärnor - en typ av stjärnrester och svarta hål ”.
I grund och botten är det nya datorsystemet utformat för att analysera händelserna registrerade i observatoriets djup i realtid. Om det upptäcker ett onormalt stort flöde av neutrino, kommer det snabbt att varna experterna som bemannar kontrollerna. De kommer då att kunna bedöma signifikans betydelse inom några minuter och se om den verkligen kommer från en närliggande supernova.
"Under supernovaexplosioner genereras ett enormt antal neutrino på ett extremt litet tidsrum - några sekunder - och det är därför vi måste vara redo," tillade Labarga. "Detta gör att vi kan undersöka de grundläggande egenskaperna hos dessa fascinerande partiklar, såsom deras interaktioner, deras hierarki och det absoluta värdet av deras massa, deras halveringstid och säkert andra egenskaper som vi fortfarande inte ens kan föreställa oss."
Lika lika viktigt är det faktum att detta system kommer att ge SKO förmågan att ge tidiga varningar till forskningscentra runt om i världen. Markbaserade observatorier, där astronomer är angelägna om att titta på skapandet av kosmiska neutriner av supernova, kommer då att kunna peka alla sina optiska instrument mot källan i förväg (eftersom den elektromagnetiska signalen tar längre tid att komma fram).
Genom denna samarbetsinsats kan kanske astrofysiker bättre förstå några av de mest svårfångade neutrinerna av alla. Att betrakta hur dessa grundläggande partiklar interagerar med andra kan föra oss ett steg närmare en Grand Unified Theory - ett av de stora målen för Super-Kamiokande Observatory.
Hittills finns det bara ett fåtal neutrino-detektorer i världen. Dessa inkluderar Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) detektor i Ohio, Subdury Neutrino Observatory (SNOLAB) i Ontario, Kanada och Super Kamiokande Observatory i Japan.
