日本の池野山の下、水面下1000メートル(3,300フィート)にある古い鉱山の中に、スーパーカミオカンデ展望台(SKO)があります。観測を開始した1996年以降、研究者たちはこの施設のチェレンコフ検出器を使用して、銀河内の陽子崩壊とニュートリノの兆候を探しています。ニュートリノは検出が非常に難しいため、これは簡単な作業ではありません。
しかし、ニュートリノをリアルタイムで監視できる新しいコンピューターシステムのおかげで、SKOの研究者たちはこれらのミステリー粒子を近い将来さらに詳しく研究できるようになります。そうすることで、彼らは星がどのように形成され、最終的にブラックホールに崩壊するかを理解し、初期の宇宙で物質がどのように作成されたかのピークをこっそりと望んでいます。
簡単に言えば、ニュートリノは宇宙を構成する基本的な粒子の1つです。他の基本的な粒子と比較して、それらは質量がほとんどなく、電荷がなく、弱い核力と重力を介して他のタイプの粒子とのみ相互作用します。それらは多くの方法で作成されますが、最も顕著なのは放射性崩壊、星を動かす核反応、そして超新星です。
標準のビッグバンモデルに従って、宇宙の作成から残ったニュートリノは、存在する最も豊富な粒子です。いつでも、何兆ものこれらの粒子が私たちの周りや私たちの中を移動していると考えられています。しかし、それらが物質と相互作用する方法のため(つまり、弱いだけ)、それらを検出することは非常に困難です。
このため、ニュートリノ観測所は宇宙線からの干渉を避けるために地下深くに構築されています。彼らはまた、何千ものセンサーが壁に並んでいる本質的に巨大な水タンクであるチェレンコフ検出器に依存しています。これらは、粒子が局部的な光の速度(つまり、水中の光の速度)まで減速するときに粒子を検出しようとします。これは、チェレンコフ放射として知られているグローの存在によって明らかになります。
SKOの検出器は現在、世界最大です。高さ41.4 m(136フィート)、直径39.3 m(129フィート)の円筒形のステンレス鋼タンクで構成され、45,000メートルトン(50,000 USトン)を超える超純水を保持します。内部には11,146の光電子増倍管が取り付けられており、非常に高い感度で電磁スペクトルの紫外、可視、近赤外領域の光を検出します。
長年にわたり、SKOの研究者たちはこの施設を使用して、太陽ニュートリノ、大気ニュートリノ、人工ニュートリノを調べてきました。ただし、超新星によって作成されたものは、突然現れて他の種類と区別することが困難になるため、検出が非常に困難です。しかし、新たに追加されたコンピューターシステムにより、スーパーコミオカンデの研究者たちは、それが変わることを望んでいます。
マドリード自治大学(スペイン)の物理学者であり、共同研究のメンバーであるルイスラバルガは、科学ニュースサービス(SINC)への最近の声明で次のように説明しています。
「超新星爆発は宇宙で最もエネルギッシュな現象の1つであり、このエネルギーのほとんどはニュートリノの形で放出されます。これが、太陽や他のソースからのもの以外のこれらのケースで放出されたニュートリノを検出して分析することが、中性子星(恒星の残骸の一種)とブラックホールの形成メカニズムを理解する上で非常に重要である理由です。」
基本的に、新しいコンピュータシステムは、観測所の深部に記録されたイベントをリアルタイムで分析するように設計されています。ニュートリノの異常に大きな流れを検出すると、制御を担当する専門家にすぐに警告します。その後、数分以内に信号の重要性を評価し、それが実際に近くの超新星から来ているかどうかを確認できます。
「超新星爆発の間、膨大な数のニュートリノが非常に短い時間間隔(数秒)で生成されます。これが準備が必要な理由です」とLabargaは付け加えました。 「これにより、相互作用、階層、質量の絶対値、半減期など、これらの魅力的な粒子の基本的な特性や、まだ想像もできない他の特性を研究することができます。」
同様に重要なのは、このシステムがSKOに世界中の研究センターに早期警告を発する能力を与えるという事実です。天文学者が超新星による宇宙ニュートリノの生成を監視することに熱心な地上観測所は、その後、事前にすべての光学機器を光源に向けることができます(電磁信号の到達に時間がかかるため)。
この共同作業を通じて、天体物理学者はすべての中で最もとらえどころのないニュートリノのいくつかをよりよく理解することができるかもしれません。これらの基本的な粒子が他の粒子とどのように相互作用するかを見極めることで、スーパーカミオカンデ天文台の主要な目標の1つである大統一理論に一歩近づくことができます。
現在までのところ、世界に存在するニュートリノ検出器はわずかです。これらには、オハイオ州のアーバイン-ミシガン-ブルックヘブン(IMB)検出器、カナダのオンタリオ州のサブデュリーニュートリノ天文台(SNOLAB)、および日本のスーパーカミオカンデ天文台が含まれます。