आजवरच्या सर्व सुपरनोव्हांनी मागे सोडलेल्या न्यूट्रिनोंची एक अंधुक चाहूल

निरीक्षणक्षम विश्वात कुठे ना कुठे, दर सेकंदाला काही वेळा, एखाद्या ताऱ्याचा गाभा कोसळतो. प्रत्येक कोसळण्यात प्रचंड ऊर्जा, सुमारे 10⁵³ erg (10⁴⁶ ज्यूल), मुक्त होणे अपेक्षित असते, आणि तिचा सुमारे 99% भाग न्यूट्रिनो वाहून नेतात; हे जवळजवळ वस्तुमानरहित कण जवळजवळ सर्व पदार्थांतून आरपार जातात. तरीही जवळच्या सुपरनोव्हांमधून न्यूट्रिनोंचे स्फोट शतकातून काही वेळाच येतात. SN 1987A या सुपरनोव्हामधून पकडलेल्या 24 न्यूट्रिनोंनंतर, सुपरनोव्हा न्यूट्रिनो पुन्हा पकडणे हे न्यूट्रिनो खगोलशास्त्राचे एक केंद्रीय उद्दिष्ट राहिले आहे.

तारे बनू लागल्यापासूनच्या प्रत्येक कोसळण्याची बेरीज

आत शिरण्याचा आणखी एक मार्ग आहे. तारानिर्मिती सुरू झाल्यापासूनच्या सर्व गाभा-कोसळण्यांचे न्यूट्रिनो एकत्र करा, आणि तुम्हाला विसरित सुपरनोव्हा न्यूट्रिनो पार्श्वभूमी (diffuse supernova neutrino background, DSNB) मिळते: प्रत्येक दिशेने सारखाच येणारा एक स्थिर प्रवाह. तिचा वर्णपट — प्रत्येक ऊर्जेला किती न्यूट्रिनो — तारे कसे कोसळतात, कोसळण्यांचा कोणता अंश कृष्णविवरे बनवतो, आणि दीर्घिकांचे रसायनशास्त्र कसे उत्क्रांत झाले, याबद्दल काहीतरी सांगेल.

अनेक भाकिते अस्तित्वात आहेत. पाणी आणि द्रव-स्फुरक (liquid-scintillator) संसूचकांमध्ये शोध घेतले गेले, पण आतापर्यंत कोणालाही लक्षणीय आधिक्य आढळले नव्हते, आणि खाली दाखवल्याप्रमाणे, हा शोधही अजून फक्त एक चाहूलच आहे.

एक प्रकाशझोत, मग एक न्यूट्रॉन

कोसळणे प्रत्येक प्रकारचे न्यूट्रिनो उत्सर्जित करते. बहुतेक शोध, यासह, त्यांच्यापैकी एकाला लक्ष्य करतात, इलेक्ट्रॉन प्रतिन्यूट्रिनो (ν̄e), प्रोटॉनवरील एका अभिक्रियेद्वारे:

ν̄e + p → e⁺ + n

प्रोटॉनचे रूपांतर एका पॉझिट्रॉनमध्ये (e⁺, धन विद्युतभारित इलेक्ट्रॉन) आणि एका न्यूट्रॉनमध्ये होते. इथे महत्त्वाच्या असलेल्या, साधारण 10 ते 30 MeV (दशलक्ष इलेक्ट्रॉनव्होल्ट) ऊर्जा-पल्ल्यात, न्यूट्रिनो इलेक्ट्रॉनवरून उसळण्यापेक्षा ही अभिक्रिया घडण्याची शक्यता सुमारे शंभर पट अधिक असते.

Super-Kamiokande (SK) ही प्रकाश-संवेदकांच्या नजरेखाली असलेली पाण्याची एक महाकाय टाकी आहे, जपानमधील गिफु येथील कामिओका खाणीत; हे विश्लेषण तिच्यातील 22.5 किलोटन पाणी वापरते. पाण्यातून जाणारा वेगवान विद्युतभारित कण प्रकाशाचा एक अंधुक शंकू सोडतो, ज्याला चेरेन्कोव्ह प्रकाश म्हणतात: पॉझिट्रॉनचा हा प्रकाश फोटोमल्टिप्लायर नलिका (प्रकाश-संवेदक) नोंदवतात. न्यूट्रॉन थोड्या वेळाने एखाद्या अणुकेंद्रकाकडून पकडला जातो, जे प्रकाशाचा दुसरा, अधिक अंधुक झोत सोडते: शुद्ध पाण्यात सुमारे 200 मायक्रोसेकंदांनी, आणि न्यूट्रॉन कितीतरी अधिक सहज पकडणारा गॅडोलिनियम हा धातू त्यात 0.033% प्रमाणात विरघळवल्यावर सुमारे 60 मायक्रोसेकंदांनी. आधी प्रकाशझोत आणि मग पकडणे पाहणे — “न्यूट्रॉन टॅगिंग” — महत्त्वाचे आहे, कारण अपेक्षित संकेत वर्षाला फक्त काही घटना इतकाच आहे.

सहा टप्प्यांत 5,003 दिवस

माहिती ऑक्टोबर 2008 ते मार्च 2026 पर्यंतची आहे: सहा टप्प्यांत 5,003.0 दिवसांचे नोंदणीकरण. पहिल्या दोन टप्प्यांत शुद्ध पाणी वापरले. त्यानंतर त्यात गॅडोलिनियम सल्फेट विरघळवले गेले: 13 टन, मग आणखी 26.1 टन, ज्यामुळे गॅडोलिनियमने पकडलेल्या न्यूट्रॉनचा वाटा 50% वरून 75% झाला. त्यासोबत टॅग केलेल्या न्यूट्रॉनचा वाटाही वाढला: शुद्ध पाण्यात 10–30%, सर्वोच्च संहतीला 60–70%. ऑक्टोबर 2023 मध्ये, संसूचकाभोवती पृथ्वीचे चुंबकीय क्षेत्र निष्प्रभ करणाऱ्या कुंडलांमध्ये बिघाड झाल्यामुळे, दुरुस्ती होईपर्यंत 191.8 दिवस काही संवेदक मंदावले.

सहा टप्प्यांत साचत जाणाऱ्या उमेदवार घटना: एकूण (निळे), नेमका एक टॅग केलेला न्यूट्रॉन असलेल्या (लाल) किंवा नसलेल्या (हिरवे); गॅडोलिनियम भरल्यानंतर लाल रेषा अधिक तीव्र होते. — आकृती 4, Abe et al. (2026), arXiv:2610.35619.

दशलक्षपट अधिक सामान्य असलेले तोतये

वैश्विक-किरण म्युऑन (इलेक्ट्रॉनचे अधिक जड भावंड, वैश्विक किरण वरच्या वातावरणावर आदळल्यावर तयार होणारे) पाण्यातील ऑक्सिजनच्या केंद्रकांचे तुकडे करून किरणोत्सारी समस्थानिके बनवतात, ज्यांचे क्षय सुमारे 20 MeV खाली अपेक्षित संकेतापेक्षा दशलक्ष पटींपर्यंत अधिक असतात. बहुतेक कोणताही न्यूट्रॉन उत्सर्जित करत नाहीत, त्यामुळे न्यूट्रॉनची अट घातल्याने ते दूर होतात. लिथियम-9 हा अपवाद आहे: त्याचा क्षय एका इलेक्ट्रॉनमध्ये आणि एका न्यूट्रॉनमध्ये होतो, संकेताची हुबेहूब नक्कल (अर्धायुष्य: 0.178 सेकंद).

वातावरणीय न्यूट्रिनो हा दुसरा सापळा आहे. काही न्यूट्रिनो केंद्रकातून एक न्यूट्रॉन बाहेर काढतात आणि गॅमा किरण मुक्त करतात, ज्यामुळे प्रकाशझोत-आणि-न्यूट्रॉन जोडीची नक्कल होते. इतर एक म्युऑन बनवतात, ज्याचा काही मायक्रोसेकंदांत क्षय होऊन इलेक्ट्रॉन बनतो; न्यूट्रॉनसोबत ही जोडीसुद्धा संकेताची नक्कल करते. नवे विश्लेषण पुढील गोष्टींची भर घालते:

• या गॅमा-किरण तोतयांसाठी एक यंत्र-अध्ययन (machine-learning) गाळणी, जी खऱ्या संकेताचा 79% ऐवजी 89% भाग राखते आणि उरलेले तोतये निम्मे करते, 10% वरून 5%;
• म्युऑनच्या क्षयातून आलेला इलेक्ट्रॉन आणि गॅडोलिनियमने केलेले पकडणे यांतील फरक ओळखण्याची एक पद्धत, पूर्वी संकेताचा सुमारे 10% भाग खर्ची घालणाऱ्या घटना कापून टाकण्याऐवजी;
• अधिक घट्ट अनिश्चितता: या वातावरणीय घटनांच्या दरावर 70% ऐवजी 45%, उरलेल्या लिथियम-9 वर 50% ऐवजी 30%.

एक निवड उलट दिशेने जाते. शुद्ध पाण्याच्या वर्षांत, नेमका एक टॅग केलेला न्यूट्रॉन नसलेल्या घटनांमध्ये, सांख्यिकीय जुळवणीला (fit) 15.5 ते 21.5 MeV मोजलेल्या ऊर्जांदरम्यान एक जादा योगदान आढळले, जे तिथे अपेक्षित सुपरनोव्हा संकेताइतकेच मोठे होते — लेखकांच्या मते, बहुधा त्यांच्या प्रतिमानातून सुटलेला वैश्विक-किरणांचा उरलेला कचरा. त्यांनी प्रत्येक टप्प्यात त्या घटनांसाठीचा उंबरठा 21.5 MeV पर्यंत वाढवला, आणि नेमका एक टॅग केलेला न्यूट्रॉन असलेल्या घटनांसाठी तो 15.5 वरून 11.5 MeV पर्यंत खाली आणला. मिळून, या दोन बदलांमुळे अपेक्षित संकेताचा 13.9% भाग खर्ची पडतो.

2.6 सिग्मा काय सांगतो, आणि काय सांगत नाही

अंतिम जुळवणी सर्व टप्पे, माहितीचे सहा प्रदेश आणि सात घटक एकत्र करते: संकेत अधिक सहा पार्श्वभूमी. संकेताच्या आकारासाठी एक संदर्भ प्रतिमान (Horiuchi आणि सहकारी, 2009) घेतल्यास:

• सर्वोत्तम जुळणारा प्रवाह: 13.3 MeV पेक्षा अधिक ऊर्जेला प्रति चौरस सेंटिमीटर प्रति सेकंद 3.6 (+1.6/−1.5) प्रतिन्यूट्रिनो, म्हणजे SK मध्ये वर्षाला 4.8 (+2.2/−2.0) घटना;
• सांख्यिकीय महत्त्व: 2.6 सिग्मा;
• केवळ गॅडोलिनियम टप्पे (1,653.7 दिवस): 2.2 सिग्मा; केवळ शुद्ध पाण्याचे टप्पे (3,349.3 दिवस): 1.4 सिग्मा — गॅडोलिनियमचे कितीतरी अधिक चांगले न्यूट्रॉन टॅगिंग त्याच्या कमी कालावधीपेक्षा वरचढ ठरते;
• संकेताचे दोन इतर आकार 2.7 आणि 2.6 सिग्मा देतात;
• हा प्रवाह संदर्भ प्रतिमानाने भाकीत केलेल्या 2.1 ते 3.9 या पल्ल्याच्या वरच्या टोकाजवळ आहे.

2.6 सिग्माचा अर्थ काय? SK केवळ पार्श्वभूमीच नोंदवत असता, सुपरनोव्हा न्यूट्रिनो अजिबात नसताना, तर अशी माहिती मिळणे असंभाव्य ठरले असते: लेखक “पार्श्वभूमीशिवाय काहीच नाही” ही परिकल्पना 99.5% विश्वास पातळीवर नाकारण्याकडे झुकतात. म्हणूनच ते याला निरीक्षण न म्हणता एक चाहूल म्हणतात — त्यांच्या शब्दांत, या संकेताची पहिली चाहूल.

प्रत्येक प्रवाह माहितीशी किती वाईट रीतीने जुळतो (काळा: सर्व टप्पे; तुटक: प्रत्येक टप्पा स्वतंत्रपणे): वक्र 3.6 जवळ तळ गाठतो, आणि शून्य प्रवाहाला तो 2-सिग्मा आणि 3-सिग्मा रेषांदरम्यान वर चढतो. — आकृती 5, Abe et al. (2026), arXiv:2610.35619.

अधिक ढोबळ मोजणी, कमी ताण

संकेताचा कोणताही आकार गृहीत न धरणारी एक उलटतपासणी — 13.3 ते 31.3 MeV दरम्यान एक टॅग केलेला न्यूट्रॉन असलेल्या उमेदवारांची सरळ मोजणी करून अपेक्षित पार्श्वभूमीशी तुलना — फक्त 1.8 सिग्मा इतका ताण देते. आणि 17.3 MeV पेक्षा अधिक ऊर्जेला, नवा प्रवाह, प्रति चौरस सेंटिमीटर प्रति सेकंद 1.8 (+0.8/−0.7), केवळ गॅडोलिनियम माहितीवरील सहयोगाच्या आधीच्या शोधात आढळलेल्या 1.4 (+1.5/−1.2) शी त्याच्या अनिश्चिततांच्या मर्यादेत जुळतो.