Under Ikeno-bjerget, Japan, ligger en gammel mine, der sidder tusind meter (3.300 fod) under overfladen, Super-Kamiokande-observatoriet (SKO). Siden 1996, da det begyndte at gennemføre observationer, har forskere brugt denne facilitets Cherenkov-detektor for at se efter tegn på protonfald og neutrinoer i vores galakse. Dette er ingen let opgave, da neutrinoer er meget vanskelige at opdage.
Men takket være et nyt computersystem, der vil være i stand til at overvåge neutrinoer i realtid, vil forskerne ved SKO være i stand til at undersøge disse mysterierpartikler nærmere i den nærmeste fremtid. Dermed håber de at forstå, hvordan stjerner dannes og til sidst kollapse i sorte huller, og snige sig et højdepunkt på, hvordan stof blev skabt i det tidlige univers.
Neutrinoer, ganske enkelt sagt, er en af de grundlæggende partikler, der udgør universet. Sammenlignet med andre grundlæggende partikler har de meget lidt masse, uden ladning og interagerer kun med andre typer partikler via den svage atomkraft og tyngdekraft. De er skabt på en række måder, især gennem radioaktivt henfald, de nukleare reaktioner, der driver en stjerne, og i supernovaer.
I overensstemmelse med standard Big Bang-modellen er de neutrinoer, der er tilbage fra oprettelsen af universet, de mest rigelige partikler, der findes. På ethvert givet øjeblik antages billioner af disse partikler at bevæge sig omkring os og gennem os. Men på grund af den måde, de interagerer med stof (dvs. kun svagt), er de ekstremt vanskelige at opdage.
Af denne grund bygges neutrinoobservatorier dybt under jorden for at undgå interferens fra kosmiske stråler. De er også afhængige af Cherenkov-detektorer, som i det væsentlige er massive vandtanke, der har tusinder af sensorer foring på væggene. Disse forsøger at detektere partikler, når de bremses ned til den lokale lyshastighed (dvs. lysets hastighed i vand), hvilket synliggøres ved tilstedeværelsen af en glød - kendt som Cherenkov-stråling.
Detektoren ved SKO er i øjeblikket den største i verden. Den består af en cylindrisk rustfri ståltank, der er 41,4 m (136 fod) høj og 39,3 m (129 fod) i diameter, og har over 45.000 metriske ton (50.000 amerikanske ton) ultra-rent vand. I det indre er der monteret 11.146 fotomultiplikatorrør, der detekterer lys i det ultraviolette, synlige og næsten infrarøde område i det elektromagnetiske spektrum med ekstrem følsomhed.
I årevis har forskere ved SKO brugt anlægget til at undersøge solneutrinoer, atmosfæriske neutrinoer og menneskeskabte neutrinoer. Imidlertid er dem, der er skabt af supernovas, meget vanskelige at opdage, da de pludselig vises og vanskelige at skelne fra andre slags. Imidlertid håber Super Komiokande-forskerne med det nyligt tilføjede computersystem, at det vil ændre sig.
Som Luis Labarga, en fysiker ved det autonome universitet i Madrid (Spanien) og et medlem af samarbejdet, forklarede i en nylig erklæring til Scientific News Service (SINC):
”Supernova-eksplosioner er et af de mest energiske fænomener i universet, og det meste af denne energi frigives i form af neutrinoer. Dette er grunden til, at detektering og analyse af neutrinoer, der udsendes i disse tilfælde, bortset fra dem fra solen eller andre kilder, er meget vigtig for at forstå mekanismerne i dannelsen af neutronstjerner - en type stjernernes rest- og sorte huller ”.
Grundlæggende er det nye computersystem designet til at analysere begivenhederne, der er registreret i observatoriets dybder i realtid. Hvis det registrerer en unormalt stor strøm af neutrinoer, vil den hurtigt advare eksperterne, der bemander kontrollerne. De vil derefter være i stand til at vurdere signalets betydning inden for få minutter og se, om det rent faktisk kommer fra en nærliggende supernova.
”Under supernovaeksplosioner genereres et enormt antal neutrinoer i et ekstremt lille tidsrum - et par sekunder - og det er derfor, vi er nødt til at være klar,” tilføjede Labarga. "Dette giver os mulighed for at undersøge de grundlæggende egenskaber ved disse fascinerende partikler, såsom deres interaktion, deres hierarki og den absolutte værdi af deres masse, deres halveringstid og helt sikkert andre egenskaber, som vi stadig ikke engang kan forestille os."
Lige så vigtigt er det faktum, at dette system giver SKO muligheden for at udsende tidlige advarsler til forskningscentre over hele verden. Jordbaserede observatorier, hvor astronomer er opsat på at se oprettelsen af kosmiske neutrinoer ved supernova, vil derefter være i stand til at pege alle deres optiske instrumenter mod kilden på forhånd (da det elektromagnetiske signal vil tage længere tid at ankomme).
Gennem denne samarbejdsindsats kan astrofysikere muligvis bedre forstå nogle af de mest undvigende neutrinoer af alle. At se, hvordan disse grundlæggende partikler interagerer med andre, kan bringe os et skridt nærmere en Grand Unified Theory - et af de vigtigste mål for Super-Kamiokande Observatory.
Til dato findes der kun få neutrino-detektorer i verden. Disse inkluderer Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) detektor i Ohio, Subdury Neutrino Observatory (SNOLAB) i Ontario, Canada og Super Kamiokande Observatory i Japan.
