DALILI HAFIFU YA NYUTRINO ZILIZOACHWA NA SUPANOVA ZOTE ZILIZOPITA

Mara kadhaa kila sekunde, mahali fulani katika ulimwengu unaoonekana, kiini cha nyota huporomoka. Kila uporomokaji unatarajiwa kuachilia kiasi kikubwa mno cha nishati, takriban erg 10⁵³ (jouli 10⁴⁶), ambayo takriban 99% yake hubebwa na nyutrino, chembe karibu zisizo na uzito zinazopenya karibu maada yote. Hata hivyo milipuko ya nyutrino kutoka supanova zilizo karibu hufika mara chache tu kwa karne. Tangu nyutrino 24 zilizonaswa kutoka supanova SN 1987A, kunasa tena nyutrino za supanova kumekuwa lengo kuu la astronomia ya nyutrino.

Jumla ya kila uporomokaji tangu nyota zianze kuundwa

Kuna njia nyingine. Jumlisha nyutrino za uporomokaji wote wa viini tangu uundaji wa nyota ulipoanza, na unapata mandharinyuma ya nyutrino za supanova iliyotawanyika (diffuse supernova neutrino background, DSNB): mtiririko usiokatika unaofika kwa usawa kutoka kila upande. Spektra yake — idadi ya nyutrino katika kila nishati — ingeeleza jambo kuhusu jinsi nyota zinavyoporomoka, sehemu gani ya uporomokaji huunda mashimo meusi, na jinsi kemia ya galaksi ilivyobadilika.

Kuna utabiri mwingi. Utafutaji umefanywa katika vigunduzi vya maji na vya kimiminika kinachometameta (liquid scintillator), lakini hadi sasa hakuna uliopata ziada yenye umuhimu wa kitakwimu, na huu, kama inavyoonyeshwa hapa chini, bado ni dalili tu.

Mmweko, kisha nyutroni

Uporomokaji hutoa kila aina ya nyutrino. Utafutaji mwingi, ukiwemo huu, hulenga mojawapo, antinyutrino ya elektroni (ν̄e), kupitia mmenyuko kwenye protoni:

ν̄e + p → e⁺ + n

Protoni inakuwa positroni (e⁺, elektroni yenye chaji chanya) na nyutroni. Katika masafa ya nishati yanayojalisha hapa, takriban MeV 10 hadi 30 (mamilioni ya elektronivolti), mmenyuko huu una uwezekano mkubwa takriban mara mia kuliko nyutrino kudunda kutoka kwenye elektroni.

Super-Kamiokande (SK) ni tangi kubwa mno la maji linalotazamwa na vihisi vya mwanga, katika mgodi wa Kamioka, huko Gifu, Japani; uchambuzi huu unatumia kilotani 22.5 za maji yake. Chembe yenye chaji inayopita kwa kasi ndani ya maji hutoa koni hafifu ya mwanga, inayoitwa mwanga wa Cherenkov: ule wa positroni hurekodiwa na mirija ya kuzidisha fotoni (photomultiplier tubes, yaani vihisi vya mwanga). Nyutroni hunaswa baadaye kidogo na kiini cha atomu, ambacho huachilia mmweko wa pili wa mwanga, hafifu zaidi: baada ya takriban mikrosekunde 200 katika maji safi, takriban 60 mara gadolini, metali inayonasa nyutroni kwa urahisi zaidi sana, inapoyeyushwa ndani yake, kwa kiwango cha 0.033%. Kuona mmweko kisha unaswaji — “kuweka alama nyutroni” (neutron tagging) — ni muhimu, kwa sababu ishara inayotarajiwa ni matukio machache tu kwa mwaka.

Siku 5,003 katika awamu sita

Data zinaanzia Oktoba 2008 hadi Machi 2026: siku 5,003.0 za kurekodi, katika awamu sita. Awamu mbili za kwanza zilitumia maji safi. Kisha salfeti ya gadolini iliyeyushwa ndani yake: tani 13, kisha tani 26.1 zaidi, jambo lililopandisha sehemu ya nyutroni zinazonaswa na gadolini kutoka 50% hadi 75%. Sehemu ya nyutroni zilizowekwa alama ilipanda pamoja nayo: 10–30% katika maji safi, 60–70% katika kiwango cha juu zaidi cha uyeyushaji. Mnamo Oktoba 2023, hitilafu ya koili zinazofuta uga wa sumaku wa Dunia kuzunguka kigunduzi ilififisha baadhi ya vihisi kwa siku 191.8, hadi matengenezo yalipofanyika.

Chati ya mistari ya idadi limbikizi ya matukio kutoka 2008 hadi 2026, yenye mikanda ya kijivu inayoonyesha kazi kwenye tangi, uongezaji wa gadolini na hitilafu ya koili.

Matukio wagombea yakilimbikizana katika awamu sita: jumla (samawati), yenye nyutroni moja hasa iliyowekwa alama (nyekundu) au isiyo nayo (kijani); mstari mwekundu unakuwa mkali zaidi baada ya uongezaji wa gadolini. — Kielelezo 4, Abe et al. (2026), arXiv:2610.35619.

Walaghai wanaotokea mara milioni zaidi

Muoni za miale ya anga (binamu wazito zaidi wa elektroni, wanaozalishwa miale ya anga inapogonga angahewa ya juu) huvunja viini vya oksijeni ndani ya maji kuwa isotopu nururifu ambazo uozo wake unazidi ishara inayotarajiwa kwa hadi milioni moja kwa moja chini ya takriban MeV 20. Nyingi hazitoi nyutroni, kwa hiyo kudai nyutroni moja kunaziondoa. Lithiamu-9 ndiyo isiyofuata kanuni hiyo: huoza kuwa elektroni na nyutroni, nakala kamili ya ishara (nusumaisha: sekunde 0.178).

Nyutrino za angahewa ni mtego mwingine. Baadhi hugonga nyutroni kutoka kwenye kiini na kuachilia miale ya gamma, wakiiga jozi ya mmweko na nyutroni. Nyingine huunda muoni, ambayo huoza ndani ya mikrosekunde kuwa elektroni; ikiwa na nyutroni, jozi hiyo pia huiga ishara. Uchambuzi mpya unaongeza:

kichujio cha ujifunzaji wa mashine kwa walaghai hawa wa miale ya gamma, kinachobakiza 89% ya ishara halisi badala ya 79% na kupunguza nusu walaghai waliobaki, kutoka 10% hadi 5%;
njia ya kutofautisha elektroni ya uozo wa muoni na unaswaji wa gadolini, badala ya kuondoa matukio, jambo ambalo hapo awali liligharimu takriban 10% ya ishara;
kutokuwa na uhakika kulikobanwa zaidi: 45% badala ya 70% kwenye kiwango cha matukio haya ya angahewa, 30% badala ya 50% kwenye lithiamu-9 iliyobaki.

Uamuzi mmoja unaelekea upande mwingine. Katika miaka ya maji safi, miongoni mwa matukio yasiyo na nyutroni moja hasa iliyowekwa alama, ulinganishaji ulipata mchango wa ziada katika nishati zilizopimwa kati ya MeV 15.5 na 21.5, karibu sawa kwa ukubwa na ishara ya supanova inayotarajiwa hapo — kwa uwezekano mkubwa, wanasema waandishi, mabaki ya miale ya anga ambayo kielelezo chao hakiyaoni. Walipandisha kizingiti cha matukio hayo hadi MeV 21.5 katika kila awamu, na kukishusha kutoka MeV 15.5 hadi 11.5 kwa matukio yenye nyutroni moja hasa iliyowekwa alama. Kwa pamoja, mabadiliko hayo mawili yanagharimu 13.9% ya ishara inayotarajiwa.

Kile sigma 2.6 inasema, na kile isichosema

Ulinganishaji wa mwisho unaunganisha awamu zote, maeneo sita ya data na viungo saba: ishara pamoja na mandharinyuma sita. Kwa kielelezo cha marejeo cha umbo la ishara (Horiuchi na wenzake, 2009):

mtiririko unaolingana vizuri zaidi: antinyutrino 3.6 (+1.6/−1.5) kwa sentimita ya mraba kwa sekunde juu ya MeV 13.3, au matukio 4.8 (+2.2/−2.0) kwa mwaka katika SK;
umuhimu wa kitakwimu: sigma 2.6;
awamu za gadolini peke yake (siku 1,653.7): sigma 2.2; awamu za maji safi peke yake (siku 3,349.3): sigma 1.4 — uwekaji alama nyutroni ulio bora zaidi sana wa gadolini unazidi uzito wa muda wake mfupi zaidi;
maumbo mengine mawili ya ishara yanatoa sigma 2.7 na 2.6;
mtiririko uko karibu na juu ya masafa ya 2.1 hadi 3.9 yanayotabiriwa na kielelezo cha marejeo.

Sigma 2.6 inamaanisha nini? Kama SK ingekuwa ikirekodi mandharinyuma peke yake, bila nyutrino zozote za supanova, data kama hizi zingekuwa na uwezekano mdogo: waandishi wanaikataa dhana hiyo ya “hakuna chochote isipokuwa mandharinyuma” kwa kiwango cha uhakika cha 99.5%. Ndiyo sababu wanaiita dalili — kwa maneno yao, ya kwanza kwa ishara hii — badala ya uchunguzi.

Mikunjo ya kipimo cha uwezekano (likelihood) dhidi ya mtiririko wa nyutrino, mkunjo mweusi ukiwa chini kabisa karibu na 3.6 na ukipanda kwenye mtiririko sifuri kati ya mistari ya sigma 2 na sigma 3.

Jinsi kila mtiririko unavyolingana vibaya na data (nyeusi: awamu zote; vistari: kila awamu peke yake): mkunjo hufika chini kabisa karibu na 3.6, na kwenye mtiririko sifuri unapanda kati ya mistari ya sigma 2 na sigma 3. — Kielelezo 5, Abe et al. (2026), arXiv:2610.35619.

Hesabu ghafi zaidi, mvutano dhaifu zaidi

Uhakiki mtambuka usiodhani umbo lolote la ishara — kwa kuhesabu tu wagombea wenye nyutroni moja iliyowekwa alama kati ya MeV 13.3 na 31.3 dhidi ya mandharinyuma inayotarajiwa — unatoa mvutano wa sigma 1.8 tu. Na juu ya MeV 17.3, mtiririko mpya, 1.8 (+0.8/−0.7) kwa sentimita ya mraba kwa sekunde, unapatana, ndani ya mipaka yake ya kutokuwa na uhakika, na 1.4 (+1.5/−1.2) iliyopatikana na utafutaji wa awali wa ushirikiano huo kwenye data za gadolini peke yake.