СЛАБЫЙ НАМЁК НА НЕЙТРИНО ОТ ВСЕХ ПРОШЛЫХ СВЕРХНОВЫХ

Несколько раз в секунду где-то в наблюдаемой Вселенной коллапсирует ядро звезды. Каждый такой коллапс, как ожидается, высвобождает огромное количество энергии, около 10⁵³ эрг (10⁴⁶ джоулей), причём около 99% её уносят нейтрино — почти безмассовые частицы, которые проходят почти сквозь любое вещество. Однако всплески нейтрино от близких сверхновых приходят лишь несколько раз в столетие. С тех пор как от сверхновой SN 1987A было поймано 24 нейтрино, повторная регистрация нейтрино от сверхновых остаётся центральной целью нейтринной астрономии.

Сумма всех коллапсов с тех пор, как начали рождаться звёзды

Есть и другой путь. Если сложить нейтрино от всех коллапсов ядер с начала звездообразования, получится диффузный нейтринный фон сверхновых (diffuse supernova neutrino background, DSNB): постоянный поток, приходящий одинаково со всех направлений. Его спектр — сколько нейтрино приходится на каждую энергию — рассказал бы кое-что о том, как коллапсируют звёзды, какая доля коллапсов порождает чёрные дыры и как эволюционировал химический состав галактик.

Предсказаний много. Поиски вели в водных и жидкосцинтилляционных детекторах, но до сих пор ни один не обнаружил значимого избытка, а этот поиск, как показано ниже, даёт пока лишь намёк.

Вспышка, а затем нейтрон

Коллапс испускает нейтрино всех типов. Большинство поисков, включая этот, нацелены на один из них — электронное антинейтрино (ν̄e), через реакцию на протоне:

ν̄e + p → e⁺ + n

Протон превращается в позитрон (e⁺, положительно заряженный электрон) и нейтрон. В важном здесь диапазоне энергий, примерно от 10 до 30 МэВ (миллионов электронвольт), эта реакция примерно в сто раз вероятнее, чем отскок нейтрино от электрона.

Super-Kamiokande (SK) — гигантский бак с водой, за которым следят датчики света, в шахте Камиока в префектуре Гифу, Япония; анализ использует 22,5 килотонны его воды. Быстрая заряженная частица, пересекающая воду, испускает слабый конус света — так называемое черенковское излучение: свет позитрона регистрируют фотоэлектронные умножители (те самые датчики света). Нейтрон чуть позже захватывается атомным ядром, которое испускает вторую, более слабую вспышку света: примерно через 200 микросекунд в чистой воде и примерно через 60 после того, как в ней растворён гадолиний в концентрации 0,033% — металл, который захватывает нейтроны гораздо охотнее. Увидеть вспышку, а затем захват — «мечение нейтронов» (neutron tagging) — важно, потому что ожидаемый сигнал составляет лишь несколько событий в год.

5003 дня в шести фазах

Данные охватывают период с октября 2008 по март 2026 года: 5003,0 дня записи в шести фазах. В первых двух использовалась чистая вода. Затем в ней растворили сульфат гадолиния: сначала 13 тонн, потом ещё 26,1 тонны, что подняло долю нейтронов, захваченных гадолинием, с 50% до 75%. Вместе с ней выросла и доля помеченных нейтронов: 10–30% в чистой воде, 60–70% при наибольшей концентрации. В октябре 2023 года отказ катушек, компенсирующих магнитное поле Земли вокруг детектора, на 191,8 дня, до ремонта, снизил чувствительность части датчиков.

Накопление событий-кандидатов за шесть фаз: всего (синий), ровно с одним помеченным нейтроном (красный) или без него (зелёный); красная линия становится круче после загрузок гадолиния. — Рисунок 4, Abe et al. (2026), arXiv:2610.35619.

Самозванцы, которых в миллион раз больше

Мюоны космических лучей (более тяжёлые родственники электрона, рождающиеся, когда космические лучи ударяют в верхние слои атмосферы) раскалывают ядра кислорода в воде на радиоактивные изотопы, распады которых ниже примерно 20 МэВ превосходят ожидаемый сигнал вплоть до миллиона к одному. Большинство из них не испускает нейтрона, поэтому требование нейтрона их отсекает. Исключение — литий-9: он распадается на электрон и нейтрон, идеальную копию сигнала (период полураспада — 0,178 секунды).

Вторая ловушка — атмосферные нейтрино. Некоторые из них выбивают нейтрон из ядра и высвобождают гамма-лучи, подделывая пару «вспышка плюс нейтрон». Другие рождают мюон, который за микросекунды распадается на электрон; вместе с нейтроном эта пара тоже имитирует сигнал. Новый анализ добавляет:

• фильтр на основе машинного обучения против этих гамма-самозванцев, который сохраняет 89% настоящего сигнала вместо 79% и вдвое сокращает число оставшихся самозванцев, с 10% до 5%;
• способ отличить электрон от распада мюона от захвата на гадолинии вместо отбраковки событий, которая раньше стоила около 10% сигнала;
• более узкие неопределённости: 45% вместо 70% для частоты этих атмосферных событий и 30% вместо 50% для оставшегося лития-9.

Одно решение действует в обратную сторону. В годы чистой воды среди событий, у которых не ровно один помеченный нейтрон, подгонка обнаружила дополнительный вклад при измеренных энергиях от 15,5 до 21,5 МэВ, примерно равный ожидаемому там сигналу сверхновых, — по словам авторов, скорее всего, это остаточные обломки от космических лучей, которые их модель упускает. Они подняли порог для таких событий до 21,5 МэВ во всех фазах и снизили его с 15,5 до 11,5 МэВ для событий ровно с одним помеченным нейтроном. Вместе эти два изменения стоят 13,9% ожидаемого сигнала.

Что говорят 2,6 сигмы, а чего не говорят

Итоговая подгонка объединяет все фазы, шесть областей данных и семь составляющих: сигнал плюс шесть фонов. С эталонной моделью формы сигнала (Хориучи (Horiuchi) и коллеги, 2009):

• наилучший поток: 3,6 (+1,6/−1,5) антинейтрино на квадратный сантиметр в секунду выше 13,3 МэВ, или 4,8 (+2,2/−2,0) события в год в SK;
• значимость: 2,6 сигмы;
• только гадолиниевые фазы (1653,7 дня): 2,2 сигмы; только фазы с чистой водой (3349,3 дня): 1,4 сигмы — гораздо более эффективное мечение нейтронов в гадолиниевых фазах перевешивает их меньшую продолжительность;
• две другие формы сигнала дают 2,7 и 2,6 сигмы;
• поток находится у верхней границы диапазона от 2,1 до 3,9, предсказанного эталонной моделью.

Что означают 2,6 сигмы? Если бы SK регистрировал только фон, вообще без нейтрино от сверхновых, такие данные были бы маловероятны: авторы отвергают гипотезу «ничего, кроме фона» на уровне достоверности 99,5%. Поэтому они называют это указанием — по их словам, первым для этого сигнала, — а не наблюдением.

Насколько плохо каждый поток согласуется с данными (чёрная линия: все фазы; штриховые: каждая фаза отдельно): кривая достигает минимума около 3,6, а при нулевом потоке поднимается между линиями 2 сигм и 3 сигм. — Рисунок 5, Abe et al. (2026), arXiv:2610.35619.

Более грубый подсчёт, более слабое расхождение

Перекрёстная проверка, которая не предполагает никакой формы сигнала, — простой подсчёт кандидатов с одним помеченным нейтроном между 13,3 и 31,3 МэВ в сравнении с ожидаемым фоном — даёт расхождение лишь в 1,8 сигмы. А выше 17,3 МэВ новый поток, 1,8 (+0,8/−0,7) на квадратный сантиметр в секунду, в пределах неопределённостей согласуется со значением 1,4 (+1,5/−1,2), полученным в предыдущем поиске коллаборации только по гадолиниевым данным.