نشانه‌ای کم‌رنگ از نوترینوهای به‌جامانده از همهٔ ابرنواخترهای گذشته
هر ثانیه چند بار، جایی در کیهان مشاهده‌پذیر، هستهٔ ستاره‌ای فرو می‌ریزد. انتظار می‌رود هر فروریزش انرژی عظیمی، حدود 10⁵³ ارگ (10⁴⁶ ژول)، آزاد کند که حدود 99% آن را نوترینوها با خود می‌برند، ذراتی تقریباً بی‌جرم که از تقریباً همهٔ مواد می‌گذرند. با این حال، فوران‌های نوترینو از ابرنواخترهای نزدیک تنها چند بار در هر قرن به ما می‌رسند. از زمان 24 نوترینویی که از ابرنواختر SN 1987A به دام افتادند، شکار دوبارهٔ نوترینوهای ابرنواختری هدفی محوری در اخترشناسی نوترینو بوده است.
مجموع همهٔ فروریزش‌ها از آغاز شکل‌گیری ستارگان
راه دیگری هم هست. نوترینوهای همهٔ فروریزش‌های هسته‌ای از آغاز شکل‌گیری ستارگان را روی هم بگذارید تا به پس‌زمینهٔ پخشیدهٔ نوترینوی ابرنواختری (diffuse supernova neutrino background یا DSNB) برسید: شاری پایدار که به‌طور یکسان از همهٔ جهت‌ها می‌رسد. طیف آن — اینکه در هر انرژی چند نوترینو هست — می‌توانست چیزهایی دربارهٔ چگونگی فروریزش ستارگان، اینکه چه کسری از فروریزش‌ها سیاه‌چاله می‌سازند، و چگونگی تحول شیمی کهکشان‌ها به ما بگوید.
پیش‌بینی‌های بسیاری وجود دارد. جست‌وجوهایی در آشکارسازهای آبی و سوسوزن مایع انجام شده است، اما تا کنون هیچ‌یک مازاد معناداری نیافته بود، و این یکی، چنان‌که در ادامه می‌بینیم، هنوز تنها یک نشانه است.
یک درخشش، سپس یک نوترون
فروریزش همهٔ انواع نوترینو را گسیل می‌کند. بیشتر جست‌وجوها، از جمله این یکی، یکی از آن‌ها را هدف می‌گیرند، یعنی پادنوترینوی الکترونی (ν̄e)، از راه واکنشی روی یک پروتون:
ν̄e + p → e⁺ + n
پروتون به یک پوزیترون (e⁺، الکترونی با بار مثبت) و یک نوترون تبدیل می‌شود. در گسترهٔ انرژی‌ای که اینجا اهمیت دارد، تقریباً 10 تا 30 MeV (میلیون الکترون‌ولت)، احتمال رخ دادن این واکنش حدود صد برابر بیشتر از برخورد و بازجهیدن نوترینو از یک الکترون است.
سوپرکامیوکانده (Super-Kamiokande یا SK) مخزن غول‌پیکری از آب است که حسگرهای نوری آن را می‌پایند، در معدن کامیوکا (Kamioka) در گیفو (Gifu) ژاپن؛ این تحلیل 22.5 کیلوتن از آب آن را به کار می‌گیرد. ذرهٔ باردار سریعی که از آب می‌گذرد مخروطی کم‌نور از نور می‌تاباند که نور چرنکوف (Cherenkov) نام دارد: نور پوزیترون را لوله‌های فوتوتکثیرکننده (photomultiplier tubes، همان حسگرهای نوری) ثبت می‌کنند. نوترون اندکی بعد به دام هستهٔ یک اتم می‌افتد، که فوران نوری دوم و کم‌نورتری آزاد می‌کند: پس از حدود 200 میکروثانیه در آب خالص، و حدود 60 میکروثانیه وقتی گادولینیم، فلزی که نوترون‌ها را بسیار آسان‌تر به دام می‌اندازد، با غلظت 0.033% در آن حل شده باشد. دیدن درخشش و سپس به دام افتادن نوترون — «نشان‌گذاری نوترون» (neutron tagging) — اهمیت دارد، چون سیگنال مورد انتظار تنها چند رویداد در سال است.
5,003 روز در شش مرحله
داده‌ها بازهٔ اکتبر 2008 تا مارس 2026 را در بر می‌گیرند: 5,003.0 روز ثبت داده، در شش مرحله. دو مرحلهٔ نخست با آب خالص انجام شدند. سپس سولفات گادولینیم در آب حل شد: 13 تن، و سپس 26.1 تن دیگر، که سهم نوترون‌هایی را که گادولینیم به دام می‌اندازد از 50% به 75% رساند. سهم نوترون‌های نشان‌گذاری‌شده نیز همراه با آن بالا رفت: 10–30% در آب خالص، 60–70% در بالاترین غلظت. در اکتبر 2023، خرابی سیم‌پیچ‌هایی که میدان مغناطیسی زمین را در اطراف آشکارساز خنثی می‌کنند، برخی حسگرها را به مدت 191.8 روز، تا زمان تعمیر، کم‌سو کرد.
رویدادهای نامزد که در طول شش مرحله انباشته می‌شوند: کل (آبی)، با دقیقاً یک نوترون نشان‌گذاری‌شده (سرخ) یا بدون آن (سبز)؛ خط سرخ پس از بارگذاری‌های گادولینیم شیب تندتری می‌گیرد. — شکل 4، Abe و همکاران (2026)، arXiv:2610.35619.
بدل‌هایی یک میلیون بار فراوان‌تر
میون‌های پرتو کیهانی (خویشاوندان سنگین‌تر الکترون، که از برخورد پرتوهای کیهانی با جو بالایی پدید می‌آیند) هسته‌های اکسیژن آب را به ایزوتوپ‌های پرتوزایی می‌شکنند که شمار واپاشی‌هایشان در انرژی‌های زیر حدود 20 MeV تا یک میلیون به یک از سیگنال مورد انتظار بیشتر است. بیشتر آن‌ها هیچ نوترونی گسیل نمی‌کنند، پس الزام به وجود یک نوترون آن‌ها را حذف می‌کند. لیتیم-9 استثناست: به یک الکترون و یک نوترون واپاشیده می‌شود، رونوشتی کامل از سیگنال (نیمه‌عمر: 0.178 ثانیه).
نوترینوهای جوی دام دیگرند. برخی از آن‌ها نوترونی را از یک هسته بیرون می‌اندازند و پرتو گاما آزاد می‌کنند، و جفت درخشش و نوترون را جعل می‌کنند. برخی دیگر یک میون می‌سازند که در عرض چند میکروثانیه به یک الکترون واپاشیده می‌شود؛ همراه با یک نوترون، این جفت نیز سیگنال را تقلید می‌کند. تحلیل جدید این موارد را می‌افزاید:
- یک فیلتر یادگیری ماشین برای این بدل‌های پرتو گاما، که به جای 79%، 89% از سیگنال واقعی را نگه می‌دارد و بدل‌های باقی‌مانده را نصف می‌کند، از 10% به 5%؛
- روشی برای تشخیص الکترون حاصل از واپاشی میون از به دام افتادن نوترون توسط گادولینیم، به جای کنار گذاشتن رویدادها، کاری که پیش‌تر حدود 10% از سیگنال را هدر می‌داد؛
- عدم‌قطعیت‌های تنگ‌تر: 45% به جای 70% برای نرخ این رویدادهای جوی، و 30% به جای 50% برای لیتیم-9 باقی‌مانده.
یک انتخاب در جهت عکس است. در سال‌های آب خالص، در میان رویدادهایی که دقیقاً یک نوترون نشان‌گذاری‌شده نداشتند، برازش سهم اضافه‌ای در انرژی‌های اندازه‌گیری‌شدهٔ میان 15.5 و 21.5 MeV یافت، تقریباً هم‌اندازهٔ سیگنال ابرنواختری مورد انتظار در آن گستره — به گفتهٔ نویسندگان، به احتمال زیاد بقایای پرتوهای کیهانی که مدلشان از قلم انداخته است. آن‌ها آستانهٔ این رویدادها را در همهٔ مراحل به 21.5 MeV بالا بردند، و آستانهٔ رویدادهای دارای دقیقاً یک نوترون نشان‌گذاری‌شده را از 15.5 به 11.5 MeV پایین آوردند. این دو تغییر روی هم 13.9% از سیگنال مورد انتظار را از دست می‌دهند.
آنچه 2.6 سیگما می‌گوید، و آنچه نمی‌گوید
برازش نهایی همهٔ مراحل، شش ناحیهٔ داده و هفت جزء را با هم ترکیب می‌کند: سیگنال به‌علاوهٔ شش پس‌زمینه. با یک مدل مرجع برای شکل سیگنال (هوریوچی (Horiuchi) و همکاران، 2009):
- شار بهترین برازش: 3.6 (+1.6/−1.5) پادنوترینو بر سانتی‌متر مربع بر ثانیه بالای 13.3 MeV، یا 4.8 (+2.2/−2.0) رویداد در سال در SK؛
- معناداری: 2.6 سیگما؛
- مراحل گادولینیم به‌تنهایی (1,653.7 روز): 2.2 سیگما؛ مراحل آب خالص به‌تنهایی (3,349.3 روز): 1.4 سیگما — نشان‌گذاری بسیار بهتر نوترون با گادولینیم بر مدت کوتاه‌تر داده‌گیری آن می‌چربد؛
- دو شکل دیگر سیگنال 2.7 و 2.6 سیگما به دست می‌دهند؛
- شار نزدیک بالای گسترهٔ 2.1 تا 3.9 است که مدل مرجع پیش‌بینی می‌کند.
2.6 سیگما یعنی چه؟ اگر SK تنها پس‌زمینه را ثبت می‌کرد، بی‌هیچ نوترینوی ابرنواختری، داده‌هایی مانند این‌ها بعید می‌بود: نویسندگان فرضیهٔ «چیزی جز پس‌زمینه نیست» را با سطح اطمینان 99.5% نامحتمل ارزیابی می‌کنند. به همین دلیل آن را یک نشانه (indication) می‌نامند — به گفتهٔ خودشان، نخستین نشانه برای این سیگنال — و نه یک مشاهده.
هر شار تا چه حد بد با داده‌ها جور درمی‌آید (سیاه: همهٔ مراحل؛ خط‌چین: هر مرحله به‌تنهایی): منحنی نزدیک 3.6 به کمینه می‌رسد، و در شار صفر میان خطوط 2 سیگما و 3 سیگما بالا می‌رود. — شکل 5، Abe و همکاران (2026)، arXiv:2610.35619.
شمارشی خام‌تر، تنشی ضعیف‌تر
یک آزمون متقابل که هیچ شکلی برای سیگنال فرض نمی‌کند — صرفاً شمردن نامزدهای دارای یک نوترون نشان‌گذاری‌شده میان 13.3 و 31.3 MeV در برابر پس‌زمینهٔ مورد انتظار — تنشی (ناسازگاری آماری) تنها در سطح 1.8 سیگما به دست می‌دهد. و بالای 17.3 MeV، شار جدید، 1.8 (+0.8/−0.7) بر سانتی‌متر مربع بر ثانیه، در محدودهٔ عدم‌قطعیت‌هایش با 1.4 (+1.5/−1.2) که جست‌وجوی پیشین این همکاری تنها روی داده‌های گادولینیم یافته بود، همخوان است.