MỘT DẤU HIỆU MỜ NHẠT VỀ CÁC HẠT NEUTRINO DO MỌI SIÊU TÂN TINH TRONG QUÁ KHỨ ĐỂ LẠI

Vài lần mỗi giây, ở đâu đó trong vũ trụ quan sát được, lõi của một ngôi sao co sụp. Mỗi lần co sụp được cho là giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, vào khoảng 10⁵³ erg (10⁴⁶ jun), trong đó khoảng 99% được mang đi bởi neutrino, những hạt gần như không có khối lượng, xuyên qua hầu hết mọi vật chất. Thế nhưng các đợt bùng phát neutrino từ những siêu tân tinh ở gần chỉ đến vài lần mỗi thế kỷ. Kể từ 24 neutrino bắt được từ siêu tân tinh SN 1987A, việc bắt lại neutrino từ siêu tân tinh đã là một mục tiêu trọng tâm của thiên văn học neutrino.

Tổng của mọi vụ co sụp kể từ khi các ngôi sao bắt đầu hình thành

Còn có một lối vào khác. Cộng dồn neutrino của tất cả các vụ co sụp lõi kể từ khi quá trình hình thành sao bắt đầu, ta sẽ có phông neutrino siêu tân tinh khuếch tán (diffuse supernova neutrino background, DSNB): một dòng hạt đều đặn đến như nhau từ mọi hướng. Phổ của nó — có bao nhiêu neutrino ở mỗi mức năng lượng — sẽ cho biết điều gì đó về cách các ngôi sao co sụp, tỷ lệ các vụ co sụp tạo thành lỗ đen, và cách thành phần hóa học của các thiên hà đã tiến hóa.

Có rất nhiều dự đoán. Các cuộc tìm kiếm đã được tiến hành trong các máy dò dùng nước và chất nhấp nháy lỏng, nhưng cho đến nay chưa cuộc tìm kiếm nào phát hiện được một lượng dư có ý nghĩa, và cuộc tìm kiếm này, như trình bày dưới đây, vẫn chỉ là một dấu hiệu.

Một chớp sáng, rồi một neutron

Một vụ co sụp phát ra mọi loại neutrino. Phần lớn các cuộc tìm kiếm, kể cả cuộc tìm kiếm này, nhắm vào một loại trong số đó, phản neutrino electron (ν̄e), thông qua một phản ứng trên proton:

ν̄e + p → e⁺ + n

Proton biến thành một positron (e⁺, một electron mang điện tích dương) và một neutron. Trong khoảng năng lượng quan trọng ở đây, chừng 10 đến 30 MeV (triệu electronvolt), phản ứng này có khả năng xảy ra cao hơn khoảng một trăm lần so với việc một neutrino nảy ra khỏi một electron.

Super-Kamiokande (SK) là một bể nước khổng lồ được theo dõi bởi các cảm biến ánh sáng, nằm trong mỏ Kamioka, ở Gifu, Nhật Bản; phân tích này sử dụng 22,5 kiloton nước của bể. Một hạt mang điện chuyển động nhanh xuyên qua nước sẽ phát ra một hình nón ánh sáng mờ, gọi là ánh sáng Cherenkov: ánh sáng của positron được ghi lại bởi các ống nhân quang điện (các cảm biến ánh sáng). Neutron bị một hạt nhân nguyên tử bắt giữ muộn hơn một chút, và hạt nhân này giải phóng một chớp sáng thứ hai, mờ hơn: sau khoảng 200 micro giây trong nước tinh khiết, khoảng 60 micro giây khi gadolini, một kim loại bắt neutron dễ hơn rất nhiều, được hòa tan vào nước, ở nồng độ 0,033%. Việc thấy được chớp sáng rồi đến sự bắt neutron — “đánh dấu neutron” (neutron tagging) — là điều quan trọng, vì tín hiệu kỳ vọng chỉ là vài sự kiện mỗi năm.

5.003 ngày trong sáu giai đoạn

Dữ liệu trải dài từ tháng 10 năm 2008 đến tháng 3 năm 2026: 5.003,0 ngày ghi nhận, trong sáu giai đoạn. Hai giai đoạn đầu dùng nước tinh khiết. Sau đó gadolini sunfat được hòa tan vào nước: 13 tấn, rồi thêm 26,1 tấn, nâng tỷ lệ neutron bị gadolini bắt giữ từ 50% lên 75%. Tỷ lệ neutron được đánh dấu cũng tăng theo: 10–30% trong nước tinh khiết, 60–70% ở nồng độ cao nhất. Vào tháng 10 năm 2023, một sự cố của các cuộn dây dùng để triệt tiêu từ trường Trái Đất quanh máy dò đã làm mờ một số cảm biến trong 191,8 ngày, cho đến khi được sửa chữa.

Các sự kiện ứng viên tích lũy qua sáu giai đoạn: tổng số (xanh lam), có đúng một neutron được đánh dấu (đỏ) hoặc không (xanh lục); đường màu đỏ dốc hơn sau các lần nạp gadolini. — Hình 4, Abe et al. (2026), arXiv:2610.35619.

Những kẻ mạo danh phổ biến hơn cả triệu lần

Các muon tia vũ trụ (họ hàng nặng hơn của electron, sinh ra khi tia vũ trụ va vào tầng khí quyển trên cao) phá vỡ hạt nhân oxy trong nước thành những đồng vị phóng xạ, mà các phân rã của chúng áp đảo tín hiệu kỳ vọng với tỷ lệ lên tới một triệu trên một ở dưới khoảng 20 MeV. Phần lớn chúng không phát ra neutron, nên việc đòi hỏi một neutron sẽ loại bỏ được chúng. Liti-9 là ngoại lệ: nó phân rã thành một electron và một neutron, một bản sao hoàn hảo của tín hiệu (chu kỳ bán rã: 0,178 giây).

Neutrino khí quyển là cái bẫy còn lại. Một số đánh bật một neutron khỏi hạt nhân và giải phóng tia gamma, giả mạo cặp chớp sáng và neutron. Một số khác tạo ra một muon, hạt này phân rã trong vòng vài micro giây thành một electron; đi kèm một neutron, cặp này cũng bắt chước tín hiệu. Phân tích mới bổ sung:

• một bộ lọc học máy cho những kẻ mạo danh tia gamma này, giữ lại 89% tín hiệu thật thay vì 79% và giảm một nửa số kẻ mạo danh còn sót lại, từ 10% xuống 5%;
• một cách phân biệt electron sinh ra từ phân rã của muon với một sự bắt giữ bởi gadolini, thay vì loại bỏ các sự kiện vốn từng làm mất khoảng 10% tín hiệu;
• độ bất định chặt hơn: 45% thay vì 70% đối với tần suất của các sự kiện khí quyển này, 30% thay vì 50% đối với lượng liti-9 còn sót lại.

Một lựa chọn lại đi theo chiều ngược lại. Trong những năm dùng nước tinh khiết, giữa các sự kiện không có đúng một neutron được đánh dấu, phép khớp tìm thấy một đóng góp dư ở các năng lượng đo được trong khoảng 15,5 đến 21,5 MeV, lớn xấp xỉ tín hiệu siêu tân tinh kỳ vọng ở đó — theo các tác giả, nhiều khả năng đó là tàn dư của tia vũ trụ mà mô hình của họ bỏ sót. Họ nâng ngưỡng cho những sự kiện đó lên 21,5 MeV ở mọi giai đoạn, và hạ ngưỡng từ 15,5 xuống 11,5 MeV cho các sự kiện có đúng một neutron được đánh dấu. Cộng lại, hai thay đổi này làm mất 13,9% tín hiệu kỳ vọng.

2,6 sigma nói gì, và không nói gì

Phép khớp cuối cùng gộp tất cả các giai đoạn, sáu vùng dữ liệu và bảy thành phần: tín hiệu cộng với sáu loại phông nền. Với một mô hình tham chiếu cho hình dạng của tín hiệu (Horiuchi và cộng sự, 2009):

• thông lượng khớp tốt nhất: 3,6 (+1,6/−1,5) phản neutrino trên mỗi centimet vuông mỗi giây trên 13,3 MeV, tức 4,8 (+2,2/−2,0) sự kiện mỗi năm trong SK;
• mức ý nghĩa thống kê: 2,6 sigma;
• riêng các giai đoạn gadolini (1.653,7 ngày): 2,2 sigma; riêng các giai đoạn nước tinh khiết (3.349,3 ngày): 1,4 sigma — khả năng đánh dấu neutron tốt hơn hẳn của gadolini bù lại thời gian vận hành ngắn hơn;
• hai hình dạng tín hiệu khác cho 2,7 và 2,6 sigma;
• thông lượng nằm gần đầu trên của khoảng 2,1 đến 3,9 mà mô hình tham chiếu dự đoán.

2,6 sigma có nghĩa là gì? Nếu SK chỉ ghi nhận phông nền, hoàn toàn không có neutrino siêu tân tinh nào, thì dữ liệu như thế này khó có khả năng xuất hiện: các tác giả bác bỏ giả thuyết “chỉ có phông nền” ở mức tin cậy 99,5%. Đó là lý do họ gọi đây là một dấu hiệu — theo lời họ, dấu hiệu đầu tiên cho tín hiệu này — chứ không phải một quan sát.

Mức độ khớp kém của từng giá trị thông lượng với dữ liệu (đen: mọi giai đoạn; nét đứt: từng giai đoạn riêng lẻ): đường cong chạm đáy gần 3,6, và tại thông lượng bằng không thì nó nâng lên giữa các đường 2 sigma và 3 sigma. — Hình 5, Abe et al. (2026), arXiv:2610.35619.

Một phép đếm thô hơn, một độ căng yếu hơn

Một phép kiểm tra chéo không giả định hình dạng nào cho tín hiệu — chỉ đơn giản đếm các ứng viên có một neutron được đánh dấu trong khoảng 13,3 đến 31,3 MeV so với phông nền kỳ vọng — cho một độ căng chỉ 1,8 sigma. Và trên 17,3 MeV, thông lượng mới, 1,8 (+0,8/−0,7) trên mỗi centimet vuông mỗi giây, phù hợp trong phạm vi độ bất định với giá trị 1,4 (+1,5/−1,2) mà cuộc tìm kiếm trước đây của nhóm hợp tác thu được chỉ trên dữ liệu gadolini.