تلميح خافت إلى النيوترينوات التي خلّفتها كل المستعرات العظمى الماضية

بضع مرات كل ثانية، في مكان ما من الكون المرئي، ينهار لب نجم. ويُتوقع أن يطلق كل انهيار قدرًا هائلًا من الطاقة، نحو 10⁵³ إرغ (10⁴⁶ جول)، تحمل نحو 99% منها النيوترينوات، وهي جسيمات شبه عديمة الكتلة تعبر كل المادة تقريبًا. ومع ذلك فإن دفقات النيوترينوات القادمة من المستعرات العظمى القريبة لا تصل إلا بضع مرات في القرن. ومنذ النيوترينوات الـ24 التي التُقطت من المستعر الأعظم SN 1987A، ظل التقاط نيوترينوات المستعرات العظمى مجددًا هدفًا محوريًا لفلك النيوترينوات.

مجموع كل انهيار منذ بدأت النجوم تتشكل

ثمة مدخل آخر. اجمع نيوترينوات كل انهيارات الألباب منذ بدء تشكل النجوم، فتحصل على خلفية نيوترينوات المستعرات العظمى المنتشرة (diffuse supernova neutrino background، DSNB): تدفق ثابت يصل بالتساوي من كل الاتجاهات. وطيفها، أي عدد النيوترينوات عند كل طاقة، سيخبرنا بشيء عن كيفية انهيار النجوم، وعن نسبة الانهيارات التي تكوّن ثقوبًا سوداء، وعن كيفية تطور كيمياء المجرات.

توجد تنبؤات كثيرة. وقد أُجريت عمليات بحث في كواشف مائية وكواشف وميضية سائلة، لكن أيًّا منها لم يجد حتى الآن فائضًا ذا دلالة، وهذا البحث أيضًا، كما سيتبيّن أدناه، لا يقدّم إلا مؤشرًا.

ومضة، ثم نيوترون

يبث الانهيار كل أنواع النيوترينوات. وتستهدف معظم عمليات البحث، ومنها هذا البحث، واحدًا منها، هو ضديد نيوترينو الإلكترون (ν̄e)، عبر تفاعل مع بروتون:

ν̄e + p → e⁺ + n

يتحول البروتون إلى بوزيترون (e⁺، إلكترون موجب الشحنة) ونيوترون. وفي نطاق الطاقة المهم هنا، أي نحو 10 إلى 30 MeV (مليون إلكترون فولت)، يكون هذا التفاعل أرجح بنحو مئة مرة من ارتداد نيوترينو عن إلكترون.

Super-Kamiokande (SK) خزان ماء عملاق تراقبه مستشعرات للضوء، في منجم كاميوكا، في غيفو باليابان؛ ويحتفظ التحليل بـ22.5 كيلوطن من مائه. يبث الجسيم المشحون السريع الذي يعبر الماء مخروطًا خافتًا من الضوء يسمى ضوء تشيرينكوف: وضوء البوزيترون تسجله أنابيب مضاعِفة ضوئية (مستشعرات الضوء). أما النيوترون فتأسره نواة ذرية بعد ذلك بقليل، فتطلق ومضة ثانية أخفت: بعد نحو 200 ميكروثانية في الماء النقي، ونحو 60 حين يُذاب فيه الغادولينيوم بنسبة 0.033%، وهو فلز يأسر النيوترونات بسهولة أكبر بكثير. ورؤية الومضة ثم الأسر، أي «وسم النيوترون» (neutron tagging)، أمر مهم، لأن الإشارة المتوقعة لا تتجاوز بضعة أحداث في السنة.

5,003 أيام في ست مراحل

تمتد البيانات من أكتوبر 2008 إلى مارس 2026: 5,003.0 يوم من التسجيل، في ست مراحل. استخدمت المرحلتان الأوليان ماءً نقيًا. ثم أُذيبت فيه كبريتات الغادولينيوم: 13 طنًا، ثم 26.1 طنًا إضافيًا، مما رفع نسبة النيوترونات التي يأسرها الغادولينيوم من 50% إلى 75%. وارتفعت معها نسبة النيوترونات الموسومة: 10–30% في الماء النقي، و60–70% عند أعلى تركيز. وفي أكتوبر 2023، أدى عطل في الملفات التي تلغي المجال المغناطيسي للأرض حول الكاشف إلى خفوت بعض المستشعرات لمدة 191.8 يومًا، حتى إصلاحها.

تراكم الأحداث المرشحة على مدى المراحل الست: الإجمالي (أزرق)، ومع نيوترون موسوم واحد بالضبط (أحمر) أو من دونه (أخضر)؛ ويزداد الخط الأحمر انحدارًا بعد إضافات الغادولينيوم. — الشكل 4، Abe وآخرون (2026)، arXiv:2610.35619.

منتحلون أكثر شيوعًا بمليون مرة

تكسر ميونات الأشعة الكونية (أقارب أثقل للإلكترون، تنشأ حين تصطدم الأشعة الكونية بالغلاف الجوي العلوي) أنوية الأكسجين في الماء إلى نظائر مشعة تفوق تحللاتها الإشارة المتوقعة عددًا بنسبة تصل إلى مليون إلى واحد تحت نحو 20 MeV. ومعظمها لا يبث نيوترونًا، لذا فإن اشتراط وجود نيوترون يزيلها. والليثيوم-9 هو الاستثناء: فهو يتحلل إلى إلكترون ونيوترون، في نسخة طبق الأصل من الإشارة (عمر النصف: 0.178 ثانية).

النيوترينوات الجوية هي الفخ الآخر. فبعضها يُخرج نيوترونًا من نواة ويطلق أشعة غاما، فيحاكي زوج الومضة والنيوترون. وبعضها الآخر يُنتج ميونًا يتحلل في غضون ميكروثوانٍ إلى إلكترون؛ ومع نيوترون، يحاكي هذا الزوج الإشارة أيضًا. ويضيف التحليل الجديد:

• مرشِّحًا قائمًا على تعلم الآلة لهؤلاء المنتحلين من أشعة غاما، يحتفظ بـ89% من الإشارة الحقيقية بدلًا من 79%، ويخفض المنتحلين المتبقين إلى النصف، من 10% إلى 5%؛
• طريقة للتمييز بين إلكترون تحلل الميون وأسر الغادولينيوم، بدلًا من حذف أحداثٍ كان حذفها يكلّف سابقًا نحو 10% من الإشارة؛
• عدم يقين أضيق: 45% بدلًا من 70% على معدل هذه الأحداث الجوية، و30% بدلًا من 50% على الليثيوم-9 المتبقي.

ويسير خيار واحد في الاتجاه المعاكس. ففي سنوات الماء النقي، ومن بين الأحداث التي لا تحمل نيوترونًا موسومًا واحدًا بالضبط، وجد التوفيق مساهمة إضافية عند طاقات مقيسة بين 15.5 و21.5 MeV، تكاد تعادل في حجمها إشارة المستعرات العظمى المتوقعة هناك، وهي على الأرجح، بحسب المؤلفين، بقايا من حطام الأشعة الكونية يفوت نموذجهم. فرفعوا عتبة تلك الأحداث إلى 21.5 MeV في كل المراحل، وخفضوها من 15.5 إلى 11.5 MeV للأحداث التي تحمل نيوترونًا موسومًا واحدًا بالضبط. ومعًا، كلّف هذان التغييران 13.9% من الإشارة المتوقعة.

ما تقوله 2.6 سيغما، وما لا تقوله

يجمع التوفيق النهائي كل المراحل، وست مناطق من البيانات، وسبعة مكوّنات: الإشارة إضافة إلى ست خلفيات. ومع نموذج مرجعي لشكل الإشارة (هوريوتشي وزملاؤه، 2009):

• التدفق الأفضل توفيقًا: 3.6 (+1.6/−1.5) ضديد نيوترينو لكل سنتيمتر مربع في الثانية فوق 13.3 MeV، أي 4.8 (+2.2/−2.0) حدث في السنة في SK؛
• الدلالة: 2.6 سيغما؛
• مراحل الغادولينيوم وحدها (1,653.7 يوم): 2.2 سيغما؛ ومراحل الماء النقي وحدها (3,349.3 يوم): 1.4 سيغما، إذ يرجح وسم النيوترونات الأفضل بكثير مع الغادولينيوم على قِصر مدة تشغيله؛
• يعطي شكلان آخران للإشارة 2.7 و2.6 سيغما؛
• يقع التدفق قرب الحد الأعلى للنطاق من 2.1 إلى 3.9 الذي يتنبأ به النموذج المرجعي.

ماذا تعني 2.6 سيغما؟ لو كان SK يسجل الخلفية وحدها، من دون أي نيوترينوات من المستعرات العظمى، لكانت بيانات كهذه مستبعدة: إذ يستبعد المؤلفون فرضية «لا شيء سوى الخلفية» بمستوى ثقة 99.5%. ولهذا يسمونها مؤشرًا، وهو بتعبيرهم الأول من نوعه لهذه الإشارة، لا رصدًا.

مدى سوء توافق كل تدفق مع البيانات (الأسود: كل المراحل؛ المتقطع: كل مرحلة وحدها): يبلغ المنحنى قاعه قرب 3.6، وعند التدفق الصفري يرتفع بين خطي 2 سيغما و3 سيغما. — الشكل 5، Abe وآخرون (2026)، arXiv:2610.35619.

عدّ أبسط، وتوتر أضعف

يعطي تحقق متقاطع لا يفترض أي شكل للإشارة، ويكتفي بعدّ المرشحين الذين يحملون نيوترونًا موسومًا واحدًا بين 13.3 و31.3 MeV مقارنةً بالخلفية المتوقعة، توترًا لا يتجاوز 1.8 سيغما. وفوق 17.3 MeV، يتفق التدفق الجديد، 1.8 (+0.8/−0.7) لكل سنتيمتر مربع في الثانية، ضمن هوامش عدم اليقين، مع القيمة 1.4 (+1.5/−1.2) التي وجدها البحث السابق للتعاون على بيانات الغادولينيوم وحدها.